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6.2: Moléculas biológicas - Biología

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Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

  • Describir las formas en las que el carbono es fundamental para la vida.
  • Explicar el impacto de los cambios leves en los aminoácidos en los organismos.
  • Describe los cuatro tipos principales de moléculas biológicas.
  • Comprender las funciones de los cuatro tipos principales de moléculas.

Las moléculas grandes necesarias para la vida que se construyen a partir de moléculas orgánicas más pequeñas se denominan macromoléculas biológicas. Hay cuatro clases principales de macromoléculas biológicas (carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos), y cada una es un componente importante de la célula y realiza una amplia gama de funciones. Combinadas, estas moléculas constituyen la mayor parte de la masa celular. Las macromoléculas biológicas son orgánicas, lo que significa que contienen carbono. Además, pueden contener hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre y elementos menores adicionales.

Carbón

A menudo se dice que la vida está "basada en el carbono". Esto significa que los átomos de carbono, unidos a otros átomos de carbono u otros elementos, forman los componentes fundamentales de muchas, si no la mayoría, de las moléculas que se encuentran únicamente en los seres vivos. Otros elementos juegan un papel importante en las moléculas biológicas, pero el carbono ciertamente califica como el elemento "base" de las moléculas en los seres vivos. Son las propiedades de enlace de los átomos de carbono las responsables de su importante papel.

Enlace de carbono

El carbono contiene cuatro electrones en su capa exterior. Por tanto, puede formar cuatro enlaces covalentes con otros átomos o moléculas. La molécula de carbono orgánico más simple es el metano (CH4), en el que cuatro átomos de hidrógeno se unen a un átomo de carbono (Figura 1).

Sin embargo, las estructuras que son más complejas se fabrican con carbono. Cualquiera de los átomos de hidrógeno podría reemplazarse con otro átomo de carbono unido covalentemente al primer átomo de carbono. De esta forma, se pueden formar cadenas largas y ramificadas de compuestos de carbono (Figura 2a). Los átomos de carbono pueden unirse con átomos de otros elementos, como nitrógeno, oxígeno y fósforo (Figura 2b). Las moléculas también pueden formar anillos, que a su vez pueden enlazarse con otros anillos (Figura 2C). Esta diversidad de formas moleculares explica la diversidad de funciones de las macromoléculas biológicas y se basa en gran medida en la capacidad del carbono para formar enlaces múltiples consigo mismo y con otros átomos.

Carbohidratos

Los carbohidratos son macromoléculas con las que la mayoría de los consumidores están algo familiarizados. Para perder peso, algunas personas se adhieren a dietas "bajas en carbohidratos". Los atletas, por el contrario, a menudo "cargan carbohidratos" antes de las competiciones importantes para asegurarse de que tienen la energía suficiente para competir a un alto nivel. Los carbohidratos son, de hecho, una parte esencial de nuestra dieta; los cereales, las frutas y las verduras son fuentes naturales de carbohidratos. Los carbohidratos proporcionan energía al cuerpo, particularmente a través de la glucosa, un azúcar simple. Los carbohidratos también tienen otras funciones importantes en humanos, animales y plantas.

Los carbohidratos se pueden representar mediante la fórmula (CH2O)norte, dónde norte es el número de átomos de carbono en la molécula. En otras palabras, la proporción de carbono a hidrógeno y oxígeno es 1: 2: 1 en moléculas de carbohidratos. Los carbohidratos se clasifican en tres subtipos: monosacáridos, disacáridos y polisacáridos.

Los monosacáridos (mono- = "uno"; sacchar- = "dulce") son azúcares simples, el más común de los cuales es la glucosa. En los monosacáridos, el número de átomos de carbono suele oscilar entre tres y seis. La mayoría de los nombres de monosacáridos terminan con el sufijo -ose. Dependiendo del número de átomos de carbono en el azúcar, pueden conocerse como triosas (tres átomos de carbono), pentosas (cinco átomos de carbono) y hexosas (seis átomos de carbono).

Los monosacáridos pueden existir como una cadena lineal o como moléculas en forma de anillo; en soluciones acuosas, normalmente se encuentran en forma de anillo.

La fórmula química de la glucosa es C6H12O6. En la mayoría de las especies vivas, la glucosa es una fuente importante de energía. Durante la respiración celular, la glucosa libera energía y esa energía se utiliza para ayudar a producir trifosfato de adenosina (ATP). Las plantas sintetizan glucosa usando dióxido de carbono y agua mediante el proceso de fotosíntesis, y la glucosa, a su vez, se usa para los requerimientos energéticos de la planta. El exceso de glucosa sintetizada a menudo se almacena como almidón que es degradado por otros organismos que se alimentan de las plantas.

La galactosa (parte de la lactosa o azúcar de la leche) y la fructosa (que se encuentra en la fruta) son otros monosacáridos comunes. Aunque la glucosa, la galactosa y la fructosa tienen todas la misma fórmula química (C6H12O6), difieren estructural y químicamente (y se conocen como isómeros) debido a las diferentes disposiciones de los átomos en la cadena de carbono (Figura 3).

Los disacáridos (di- = "dos") se forman cuando dos monosacáridos se someten a una reacción de deshidratación (una reacción en la que se produce la eliminación de una molécula de agua). Durante este proceso, el grupo hidroxilo (–OH) de un monosacárido se combina con un átomo de hidrógeno de otro monosacárido, liberando una molécula de agua (H2O) y formando un enlace covalente entre átomos en las dos moléculas de azúcar.

Los disacáridos comunes incluyen lactosa, maltosa y sacarosa. La lactosa es un disacárido que consta de los monómeros glucosa y galactosa. Se encuentra naturalmente en la leche. La maltosa, o azúcar de malta, es un disacárido formado por una reacción de deshidratación entre dos moléculas de glucosa. El disacárido más común es la sacarosa o azúcar de mesa, que se compone de los monómeros glucosa y fructosa.

Una cadena larga de monosacáridos unidos por enlaces covalentes se conoce como polisacárido (poli- = "muchos"). La cadena puede ser ramificada o no ramificada y puede contener diferentes tipos de monosacáridos. Los polisacáridos pueden ser moléculas muy grandes. El almidón, el glucógeno, la celulosa y la quitina son ejemplos de polisacáridos.

El almidón es la forma almacenada de azúcares en las plantas y está compuesto de amilosa y amilopectina (ambos polímeros de glucosa). Las plantas pueden sintetizar glucosa y el exceso de glucosa se almacena como almidón en diferentes partes de la planta, incluidas las raíces y las semillas. El almidón que consumen los animales se descompone en moléculas más pequeñas, como la glucosa. Entonces, las células pueden absorber la glucosa.

El glucógeno es la forma de almacenamiento de glucosa en humanos y otros vertebrados, y está compuesto por monómeros de glucosa. El glucógeno es el equivalente animal del almidón y es una molécula altamente ramificada que generalmente se almacena en las células del hígado y los músculos. Siempre que los niveles de glucosa disminuyen, el glucógeno se descompone para liberar glucosa.

La celulosa es uno de los biopolímeros naturales más abundantes. Las paredes celulares de las plantas están hechas principalmente de celulosa, que proporciona soporte estructural a la célula. La madera y el papel son principalmente de naturaleza celulósica. La celulosa está formada por monómeros de glucosa que están unidos por enlaces entre átomos de carbono particulares en la molécula de glucosa.

Todos los demás monómeros de glucosa de la celulosa se voltean y se compactan apretadamente como cadenas largas y extendidas. Esto le da a la celulosa su rigidez y alta resistencia a la tracción, que es tan importante para las células vegetales. La celulosa que pasa por nuestro sistema digestivo se llama fibra dietética. Si bien los enlaces glucosa-glucosa en la celulosa no pueden ser degradados por las enzimas digestivas humanas, los herbívoros como las vacas, búfalos y caballos pueden digerir la hierba rica en celulosa y usarla como fuente de alimento. En estos animales, ciertas especies de bacterias residen en el rumen (parte del sistema digestivo de los herbívoros) y secretan la enzima celulasa. El apéndice también contiene bacterias que descomponen la celulosa, lo que le confiere un papel importante en el sistema digestivo de los rumiantes. Las celulasas pueden descomponer la celulosa en monómeros de glucosa que el animal puede utilizar como fuente de energía.

Los carbohidratos cumplen otras funciones en diferentes animales. Los artrópodos, como insectos, arañas y cangrejos, tienen un esqueleto externo, llamado exoesqueleto, que protege las partes internas de su cuerpo. Este exoesqueleto está compuesto por la macromolécula biológica quitina, que es un carbohidrato nitrogenado. Está hecho de unidades repetidas de un azúcar modificado que contiene nitrógeno.

Así, a través de diferencias en la estructura molecular, los carbohidratos pueden cumplir funciones muy diferentes de almacenamiento de energía (almidón y glucógeno) y soporte y protección estructural (celulosa y quitina) (Figura 4).

Carreras en acción

Dietista registrado

La obesidad es un problema de salud mundial y muchas enfermedades, como la diabetes y las enfermedades cardíacas, son cada vez más frecuentes debido a la obesidad. Ésta es una de las razones por las que se busca cada vez más a dietistas titulados para obtener asesoramiento. Los dietistas registrados ayudan a planificar programas de alimentación y nutrición para personas en diversos entornos. A menudo trabajan con pacientes en centros de salud, diseñando planes de nutrición para prevenir y tratar enfermedades. Por ejemplo, los dietistas pueden enseñarle a un paciente con diabetes cómo controlar los niveles de azúcar en sangre ingiriendo los tipos y cantidades correctos de carbohidratos. Los dietistas también pueden trabajar en hogares de ancianos, escuelas y consultorios privados.

Para convertirse en dietista registrado, es necesario obtener al menos una licenciatura en dietética, nutrición, tecnología alimentaria o un campo relacionado. Además, los dietistas registrados deben completar un programa de pasantías supervisadas y aprobar un examen nacional. Aquellos que siguen carreras en dietética toman cursos en nutrición, química, bioquímica, biología, microbiología y fisiología humana. Los dietistas deben convertirse en expertos en la química y las funciones de los alimentos (proteínas, carbohidratos y grasas).

Lípidos

Los lípidos incluyen un grupo diverso de compuestos que están unidos por una característica común. Los lípidos son hidrófobos ("temerosos del agua") o insolubles en agua, porque son moléculas apolares. Esto se debe a que son hidrocarburos que incluyen solo enlaces carbono-carbono o carbono-hidrógeno no polares. Los lípidos realizan muchas funciones diferentes en una célula. Las células almacenan energía para un uso prolongado en forma de lípidos llamados grasas. Los lípidos también proporcionan aislamiento del medio ambiente a plantas y animales. Por ejemplo, ayudan a mantener secas las aves y los mamíferos acuáticos debido a su naturaleza repelente al agua. Los lípidos también son los componentes básicos de muchas hormonas y son un componente importante de la membrana plasmática. Los lípidos incluyen grasas, aceites, ceras, fosfolípidos y esteroides.

Una molécula de grasa, como un triglicérido, consta de dos componentes principales: glicerol y ácidos grasos. El glicerol es un compuesto orgánico con tres átomos de carbono, cinco átomos de hidrógeno y tres grupos hidroxilo (–OH). Los ácidos grasos tienen una cadena larga de hidrocarburos a los que se une un grupo carboxilo ácido, de ahí el nombre "ácido graso". El número de carbonos en el ácido graso puede oscilar entre 4 y 36; los más comunes son los que contienen de 12 a 18 carbonos. En una molécula de grasa, un ácido graso se une a cada uno de los tres átomos de oxígeno en los grupos –OH de la molécula de glicerol con un enlace covalente (Figura 6).

Durante la formación de este enlace covalente, se liberan tres moléculas de agua. Los tres ácidos grasos de la grasa pueden ser similares o diferentes. Estas grasas también se denominan triglicéridos porque tienen tres ácidos grasos. Algunos ácidos grasos tienen nombres comunes que especifican su origen. Por ejemplo, el ácido palmítico, un ácido graso saturado, se deriva de la palmera. El ácido araquídico se deriva de Arachis hypogaea, el nombre científico de los cacahuetes.

Los ácidos grasos pueden estar saturados o insaturados. En una cadena de ácido graso, si solo hay enlaces simples entre los carbonos vecinos en la cadena de hidrocarburos, el ácido graso está saturado. Los ácidos grasos saturados están saturados de hidrógeno; en otras palabras, se maximiza el número de átomos de hidrógeno unidos al esqueleto carbónico.

Cuando la cadena de hidrocarburos contiene un doble enlace, el ácido graso es un ácido graso insaturado.

La mayoría de las grasas insaturadas son líquidas a temperatura ambiente y se denominan aceites. Si hay un doble enlace en la molécula, entonces se conoce como grasa monoinsaturada (por ejemplo, aceite de oliva), y si hay más de un doble enlace, entonces se conoce como grasa poliinsaturada (por ejemplo, aceite de canola).

Las grasas saturadas tienden a compactarse y son sólidas a temperatura ambiente. Las grasas animales con ácido esteárico y palmítico contenidas en la carne, y la grasa con ácido butírico contenida en la mantequilla, son ejemplos de grasas saturadas. Los mamíferos almacenan grasas en células especializadas llamadas adipocitos, donde los glóbulos de grasa ocupan la mayor parte de la célula. En las plantas, la grasa o el aceite se almacenan en semillas y se utilizan como fuente de energía durante el desarrollo embrionario.

Las grasas o aceites insaturados suelen ser de origen vegetal y contienen ácidos grasos insaturados. El doble enlace provoca una curvatura o un "pliegue" que evita que los ácidos grasos se compacten con fuerza, manteniéndolos líquidos a temperatura ambiente. El aceite de oliva, el aceite de maíz, el aceite de canola y el aceite de hígado de bacalao son ejemplos de grasas insaturadas. Las grasas insaturadas ayudan a mejorar los niveles de colesterol en sangre, mientras que las grasas saturadas contribuyen a la formación de placa en las arterias, lo que aumenta el riesgo de un ataque cardíaco.

En la industria alimentaria, los aceites se hidrogenan artificialmente para hacerlos semisólidos, lo que reduce su deterioro y aumenta su vida útil. Simplemente hablando, el gas hidrógeno se burbujea a través de los aceites para solidificarlos. Durante este proceso de hidrogenación, los dobles enlaces del cis-conformación en la cadena de hidrocarburos puede convertirse en dobles enlaces en el trans-conformación. Esto forma un trans-grasa de un cis-grasa. La orientación de los dobles enlaces afecta las propiedades químicas de la grasa (Figura 7).

La margarina, algunos tipos de mantequilla de maní y la manteca vegetal son ejemplos de trans-grasas. Estudios recientes han demostrado que un aumento en trans-Las grasas en la dieta humana pueden conducir a un aumento en los niveles de lipoproteína de baja densidad (LDL) o colesterol "malo", que, a su vez, puede conducir a la deposición de placa en las arterias, lo que resulta en enfermedades cardíacas. Muchos restaurantes de comida rápida han eliminado recientemente el uso de transgrasas, y las etiquetas de los alimentos de EE. UU. ahora deben enumerar sus trans-Contenido gordo.

Los ácidos grasos esenciales son ácidos grasos requeridos pero no sintetizados por el cuerpo humano. En consecuencia, deben complementarse a través de la dieta. Los ácidos grasos omega-3 entran en esta categoría y son uno de los dos únicos ácidos grasos esenciales conocidos para los seres humanos (el otro son los ácidos grasos omega-6). Son un tipo de grasa poliinsaturada y se denominan ácidos grasos omega-3 porque el tercer carbono del extremo del ácido graso participa en un doble enlace.

El salmón, la trucha y el atún son buenas fuentes de ácidos grasos omega-3. Los ácidos grasos omega-3 son importantes para la función cerebral y el crecimiento y desarrollo normales. También pueden prevenir enfermedades cardíacas y reducir el riesgo de cáncer.

Al igual que los carbohidratos, las grasas han recibido mucha mala publicidad. Es cierto que comer en exceso alimentos fritos y otros alimentos “grasos” conduce a un aumento de peso. Sin embargo, las grasas tienen funciones importantes. Las grasas sirven como almacenamiento de energía a largo plazo. También proporcionan aislamiento para el cuerpo. Por lo tanto, las grasas insaturadas "saludables" en cantidades moderadas deben consumirse de forma regular.

Los fosfolípidos son el componente principal de la membrana plasmática. Al igual que las grasas, están compuestas por cadenas de ácidos grasos unidas a un glicerol o una columna vertebral similar. Sin embargo, en lugar de tres ácidos grasos unidos, hay dos ácidos grasos y el tercer carbono de la columna vertebral de glicerol está unido a un grupo fosfato. El grupo fosfato se modifica mediante la adición de un alcohol.

Un fosfolípido tiene regiones hidrófobas e hidrófilas. Las cadenas de ácidos grasos son hidrófobas y se excluyen del agua, mientras que el fosfato es hidrófilo e interactúa con el agua.

Las células están rodeadas por una membrana que tiene una bicapa de fosfolípidos. Los ácidos grasos de los fosfolípidos miran hacia adentro, lejos del agua, mientras que el grupo fosfato puede enfrentar el ambiente exterior o el interior de la célula, que son ambos acuosos.

Esteroides y ceras

A diferencia de los fosfolípidos y grasas discutidos anteriormente, los esteroides tienen una estructura de anillo. Aunque no se parecen a otros lípidos, se agrupan con ellos porque también son hidrófobos. Todos los esteroides tienen cuatro anillos de carbono enlazados y varios de ellos, como el colesterol, tienen una cola corta.

El colesterol es un esteroide. El colesterol se sintetiza principalmente en el hígado y es el precursor de muchas hormonas esteroides, como la testosterona y el estradiol. También es el precursor de las vitaminas E y K. El colesterol es el precursor de las sales biliares, que ayudan en la degradación de las grasas y su posterior absorción por las células. Aunque a menudo se habla del colesterol en términos negativos, es necesario para el buen funcionamiento del organismo. Es un componente clave de las membranas plasmáticas de las células animales.

Las ceras están formadas por una cadena de hidrocarburos con un grupo alcohol (–OH) y un ácido graso. Los ejemplos de ceras animales incluyen cera de abejas y lanolina. Las plantas también tienen ceras, como el recubrimiento de sus hojas, que ayuda a evitar que se sequen.

Para obtener una perspectiva adicional sobre los lípidos, explore "Biomoléculas: Los lípidos" a través de esta animación interactiva.

Proteínas

Las proteínas son una de las moléculas orgánicas más abundantes en los sistemas vivos y tienen la gama de funciones más diversa de todas las macromoléculas. Las proteínas pueden ser estructurales, reguladoras, contráctiles o protectoras; pueden servir en transporte, almacenamiento o membranas; o pueden ser toxinas o enzimas. Cada célula de un sistema vivo puede contener miles de proteínas diferentes, cada una con una función única. Sus estructuras, al igual que sus funciones, varían mucho. Sin embargo, todos son polímeros de aminoácidos, dispuestos en una secuencia lineal.

Las funciones de las proteínas son muy diversas porque hay 20 aminoácidos diferentes químicamente distintos que forman cadenas largas, y los aminoácidos pueden estar en cualquier orden. Por ejemplo, las proteínas pueden funcionar como enzimas u hormonas. Las enzimas, que son producidas por células vivas, son catalizadores en reacciones bioquímicas (como la digestión) y generalmente son proteínas. Cada enzima es específica del sustrato (un reactivo que se une a una enzima) sobre el que actúa. Las enzimas pueden funcionar para romper enlaces moleculares, reorganizar enlaces o formar nuevos enlaces. Un ejemplo de enzima es la amilasa salival, que descompone la amilosa, un componente del almidón.

Las hormonas son moléculas de señalización química, generalmente proteínas o esteroides, secretadas por una glándula endocrina o un grupo de células endocrinas que actúan para controlar o regular procesos fisiológicos específicos, incluidos el crecimiento, el desarrollo, el metabolismo y la reproducción. Por ejemplo, la insulina es una hormona proteica que mantiene los niveles de glucosa en sangre.

Las proteínas tienen diferentes formas y pesos moleculares; algunas proteínas son de forma globular mientras que otras son de naturaleza fibrosa. Por ejemplo, la hemoglobina es una proteína globular, pero el colágeno, que se encuentra en nuestra piel, es una proteína fibrosa. La forma de la proteína es fundamental para su función. Los cambios en la temperatura, el pH y la exposición a sustancias químicas pueden provocar cambios permanentes en la forma de la proteína, lo que lleva a una pérdida de función o desnaturalización (que se analizará con más detalle más adelante). Todas las proteínas están formadas por diferentes disposiciones de los mismos 20 tipos de aminoácidos.

Los aminoácidos son los monómeros que forman las proteínas. Cada aminoácido tiene la misma estructura fundamental, que consiste en un átomo de carbono central unido a un grupo amino (–NH2), un grupo carboxilo (–COOH) y un átomo de hidrógeno. Cada aminoácido también tiene otro átomo variable o grupo de átomos unidos al átomo de carbono central conocido como grupo R. El grupo R es la única diferencia de estructura entre los 20 aminoácidos; de lo contrario, los aminoácidos son idénticos (Figura 8).

La naturaleza química del grupo R determina la naturaleza química del aminoácido dentro de su proteína (es decir, si es ácido, básico, polar o apolar).

La secuencia y el número de aminoácidos determinan en última instancia la forma, el tamaño y la función de una proteína. Cada aminoácido está unido a otro aminoácido mediante un enlace covalente, conocido como enlace peptídico, que se forma mediante una reacción de deshidratación. El grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino de un segundo aminoácido se combinan, liberando una molécula de agua. El enlace resultante es el enlace peptídico.

Los productos formados por dicho enlace se denominan polipéptidos. Si bien los términos polipéptido y proteína a veces se usan indistintamente, un polipéptido es técnicamente un polímero de aminoácidos, mientras que el término proteína se usa para un polipéptido o polipéptidos que se han combinado, tienen una forma distinta y tienen una función única.

El significado evolutivo del citocromo c

El citocromo c es un componente importante de la maquinaria molecular que recolecta energía de la glucosa. Debido a que el papel de esta proteína en la producción de energía celular es crucial, ha cambiado muy poco durante millones de años. La secuenciación de proteínas ha demostrado que existe una cantidad considerable de similitud de secuencia entre moléculas de citocromo c de diferentes especies; Las relaciones evolutivas se pueden evaluar midiendo las similitudes o diferencias entre las secuencias de proteínas de varias especies.

Por ejemplo, los científicos han determinado que el citocromo c humano contiene 104 aminoácidos. Por cada molécula de citocromo c que se ha secuenciado hasta la fecha a partir de diferentes organismos, 37 de estos aminoácidos aparecen en la misma posición en cada citocromo c. Esto indica que todos estos organismos descienden de un ancestro común. Al comparar las secuencias de proteínas humanas y de chimpancé, no se encontraron diferencias de secuencia. Cuando se compararon las secuencias de humanos y monos rhesus, se encontró una única diferencia en un aminoácido. En contraste, las comparaciones entre humanos y levaduras muestran una diferencia en 44 aminoácidos, lo que sugiere que los humanos y los chimpancés tienen un ancestro común más reciente que los humanos y el mono rhesus, o los humanos y las levaduras.

Estructura proteica

Como se discutió anteriormente, la forma de una proteína es fundamental para su función. Para comprender cómo la proteína adquiere su forma o conformación final, debemos comprender los cuatro niveles de estructura de la proteína: primario, secundario, terciario y cuaternario (Figura 8).

La secuencia única y el número de aminoácidos en una cadena polipeptídica es su estructura primaria. La secuencia única de cada proteína está determinada en última instancia por el gen que codifica la proteína. Cualquier cambio en la secuencia del gen puede llevar a que se agregue un aminoácido diferente a la cadena polipeptídica, provocando un cambio en la estructura y función de la proteína. En la anemia de células falciformes, la cadena β de hemoglobina tiene una sustitución de un solo aminoácido, lo que provoca un cambio tanto en la estructura como en la función de la proteína. Lo más notable de considerar es que una molécula de hemoglobina está formada por dos cadenas alfa y dos cadenas beta, cada una de las cuales consta de unos 150 aminoácidos. La molécula, por tanto, tiene unos 600 aminoácidos. La diferencia estructural entre una molécula de hemoglobina normal y una molécula de células falciformes, que reduce drásticamente la esperanza de vida, es un solo aminoácido de los 600.

Debido a este cambio de un aminoácido en la cadena, los glóbulos rojos normalmente bicóncavos, o en forma de disco, adoptan una forma de media luna o "hoz", que obstruye las arterias. Esto puede provocar una gran cantidad de problemas de salud graves, como dificultad para respirar, mareos, dolores de cabeza y dolor abdominal para quienes padecen esta enfermedad.

Los patrones de plegamiento resultantes de interacciones entre las porciones de aminoácidos que no son del grupo R dan lugar a la estructura secundaria de la proteína. Las más comunes son las estructuras de láminas plegadas en hélice alfa (α) y beta (β). Ambas estructuras se mantienen en forma mediante enlaces de hidrógeno. En la hélice alfa, los enlaces se forman entre cada cuarto aminoácido y provocan una torsión en la cadena de aminoácidos.

En la hoja con pliegues β, los "pliegues" están formados por enlaces de hidrógeno entre átomos en la columna vertebral de la cadena polipeptídica. Los grupos R están unidos a los carbones y se extienden por encima y por debajo de los pliegues del pliegue. Los segmentos plegados se alinean paralelos entre sí y se forman enlaces de hidrógeno entre los mismos pares de átomos en cada uno de los aminoácidos alineados. Las estructuras de láminas plegadas en hélice α y β se encuentran en muchas proteínas globulares y fibrosas.

La estructura tridimensional única de un polipéptido se conoce como su estructura terciaria. Esta estructura es causada por interacciones químicas entre varios aminoácidos y regiones del polipéptido. Principalmente, las interacciones entre los grupos R crean la compleja estructura terciaria tridimensional de una proteína. Puede haber enlaces iónicos formados entre grupos R en diferentes aminoácidos, o enlaces de hidrógeno más allá de los involucrados en la estructura secundaria. Cuando tiene lugar el plegamiento de la proteína, los grupos R hidrófobos de los aminoácidos apolares se encuentran en el interior de la proteína, mientras que los grupos R hidrófilos se encuentran en el exterior. Los primeros tipos de interacciones también se conocen como interacciones hidrofóbicas.

En la naturaleza, algunas proteínas se forman a partir de varios polipéptidos, también conocidos como subunidades, y la interacción de estas subunidades forma la estructura cuaternaria. Las interacciones débiles entre las subunidades ayudan a estabilizar la estructura general. Por ejemplo, la hemoglobina es una combinación de cuatro subunidades polipeptídicas.

Cada proteína tiene su propia secuencia y forma únicas que se mantienen unidas por interacciones químicas. Si la proteína está sujeta a cambios de temperatura, pH o exposición a sustancias químicas, la estructura de la proteína puede cambiar y perder su forma en lo que se conoce como desnaturalización, como se mencionó anteriormente. La desnaturalización es a menudo reversible porque la estructura primaria se conserva si se elimina el agente desnaturalizante, lo que permite que la proteína reanude su función. A veces, la desnaturalización es irreversible y conduce a una pérdida de función. Un ejemplo de desnaturalización de proteínas se puede ver cuando se fríe o se hierve un huevo. La proteína de albúmina en la clara de huevo líquida se desnaturaliza cuando se coloca en una sartén caliente, cambiando de una sustancia transparente a una sustancia blanca opaca. No todas las proteínas se desnaturalizan a altas temperaturas; por ejemplo, las bacterias que sobreviven en aguas termales tienen proteínas que están adaptadas para funcionar a esas temperaturas.

Para obtener una perspectiva adicional sobre las proteínas, explore "Biomoléculas: las proteínas" a través de esta animación interactiva.

Ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos son macromoléculas clave en la continuidad de la vida. Llevan el modelo genético de una célula y llevan instrucciones para el funcionamiento de la célula.

Los dos tipos principales de ácidos nucleicos son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). El ADN es el material genético que se encuentra en todos los organismos vivos, desde bacterias unicelulares hasta mamíferos multicelulares.

El otro tipo de ácido nucleico, el ARN, participa principalmente en la síntesis de proteínas. Las moléculas de ADN nunca abandonan el núcleo, sino que utilizan un intermediario de ARN para comunicarse con el resto de la célula. Otros tipos de ARN también participan en la síntesis de proteínas y su regulación.

El ADN y el ARN están formados por monómeros conocidos como nucleótidos. Los nucleótidos se combinan entre sí para formar un polinucleótido, ADN o ARN. Cada nucleótido está formado por tres componentes: una base nitrogenada, un azúcar pentosa (cinco carbonos) y un grupo fosfato (Figura 10). Cada base nitrogenada en un nucleótido está unida a una molécula de azúcar, que está unida a un grupo fosfato.

El otro tipo de ácido nucleico, el ARN, participa principalmente en la síntesis de proteínas. Otros tipos de ARN también participan en la síntesis de proteínas y su regulación.

El ADN y el ARN están formados por monómeros conocidos como nucleótidos. Cada base nitrogenada en un nucleótido está unida a una molécula de azúcar, que está unida a un grupo fosfato.

Estructura de doble hélice de ADN

El ADN tiene una estructura de doble hélice (Figura 11). Está compuesto por dos hebras, o polímeros, de nucleótidos. Las hebras se forman con enlaces entre grupos fosfato y azúcar de nucleótidos adyacentes. Las hebras están unidas entre sí en sus bases con enlaces de hidrógeno, y las hebras se enrollan entre sí a lo largo de su longitud, de ahí la descripción de "doble hélice", que significa una doble espiral.

Los grupos alternos de azúcar y fosfato se encuentran en el exterior de cada hebra, formando la columna vertebral del ADN. Las bases nitrogenadas se apilan en el interior, como los peldaños de una escalera, y estas bases se emparejan; los pares están unidos entre sí por enlaces de hidrógeno. Las bases se emparejan de tal manera que la distancia entre las columnas vertebrales de las dos cadenas es la misma a lo largo de la molécula.

Resumen de la sección

Los seres vivos están basados ​​en carbono porque el carbono juega un papel muy importante en la química de los seres vivos. Las cuatro posiciones de enlace covalente del átomo de carbono pueden dar lugar a una amplia diversidad de compuestos con muchas funciones, lo que explica la importancia del carbono en los seres vivos. Los carbohidratos son un grupo de macromoléculas que son una fuente de energía vital para la célula, brindan soporte estructural a muchos organismos y se pueden encontrar en la superficie de la célula como receptores o para el reconocimiento celular. Los carbohidratos se clasifican en monosacáridos, disacáridos y polisacáridos, según la cantidad de monómeros en la molécula.

Los lípidos son una clase de macromoléculas que son de naturaleza no polar e hidrófoba. Los tipos principales incluyen grasas y aceites, ceras, fosfolípidos y esteroides. Las grasas y los aceites son una forma de energía almacenada y pueden incluir triglicéridos. Las grasas y los aceites suelen estar formados por ácidos grasos y glicerol.

Las proteínas son una clase de macromoléculas que pueden realizar una amplia gama de funciones para la célula. Ayudan en el metabolismo proporcionando apoyo estructural y actuando como enzimas, portadores u hormonas. Los componentes básicos de las proteínas son los aminoácidos. Las proteínas se organizan en cuatro niveles: primario, secundario, terciario y cuaternario. La forma y función de las proteínas están íntimamente ligadas; cualquier cambio de forma causado por cambios de temperatura, pH o exposición química puede provocar la desnaturalización de las proteínas y una pérdida de función.

Los ácidos nucleicos son moléculas formadas por unidades repetidas de nucleótidos que dirigen actividades celulares como la división celular y la síntesis de proteínas. Cada nucleótido está formado por un azúcar pentosa, una base nitrogenada y un grupo fosfato. Hay dos tipos de ácidos nucleicos: ADN y ARN.

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Ejercicios de autocomprobación adicionales

1. Explique al menos tres funciones que los lípidos cumplen en plantas y / o animales.

2. Explica qué sucede si incluso un aminoácido se sustituye por otro en una cadena polipeptídica. Proporcione un ejemplo específico.

Respuestas

La grasa sirve como una forma valiosa para que los animales almacenen energía. También puede proporcionar aislamiento. Los fosfolípidos y los esteroides son componentes importantes de las membranas celulares.

2. Un cambio en la secuencia genética puede llevar a que se agregue un aminoácido diferente a una cadena polipeptídica en lugar de la normal. Esto provoca un cambio en la estructura y función de las proteínas. Por ejemplo, en la anemia de células falciformes, la cadena β de hemoglobina tiene una sustitución de un solo aminoácido. Debido a este cambio, los glóbulos rojos en forma de disco adoptan una forma de media luna, lo que puede provocar graves problemas de salud.

Glosario

estructura de hélice alfa (hélice α) tipo de estructura secundaria de proteínas formada por el plegado del polipéptido en forma de hélice con enlaces de hidrógeno que estabilizan la estructura

aminoácidos monómero de una proteína; tiene un carbono central o carbono alfa al que se une un grupo amino, un grupo carboxilo, un hidrógeno y un grupo R o cadena lateral; el grupo R es diferente para los 20 aminoácidos

hoja plegada beta (plegada beta) estructura secundaria que se encuentra en proteínas en las que los "pliegues" se forman por enlaces de hidrógeno entre átomos en la columna vertebral de la cadena polipeptídica

carbohidrato macromolécula biológica en la que la relación de carbono a hidrógeno y oxígeno es 1: 2: 1; Los carbohidratos sirven como fuentes de energía y soporte estructural en las células y forman el exoesqueleto celular de los artrópodos.

celulosa polisacárido que forma la pared celular de las plantas; proporciona soporte estructural a la celda

acompañante (también, chaperonina) proteína que ayuda a la proteína naciente en el proceso de plegado

quitina tipo de carbohidrato que forma el esqueleto externo de todos los artrópodos que incluyen crustáceos e insectos; también forma las paredes celulares de los hongos

desnaturalización Pérdida de forma en una proteína como resultado de cambios de temperatura, pH o exposición a sustancias químicas.

disacárido dos monómeros de azúcar que están unidos por un enlace glicosídico

enzima catalizador en una reacción bioquímica que suele ser una proteína compleja o conjugada

glucógeno almacenamiento de carbohidratos en animales

enlace glucosídico enlace formado por una reacción de deshidratación entre dos monosacáridos con la eliminación de una molécula de agua

hormona Molécula de señalización química, generalmente proteína o esteroide, secretada por células endocrinas que actúan para controlar o regular procesos fisiológicos específicos.

lípido macromolécula no polar e insoluble en agua

monosacárido unidad única o monómero de carbohidratos

grasas omega tipo de grasa poliinsaturada que necesita el cuerpo; la numeración del omega de carbono comienza desde el extremo metilo o el extremo más alejado del extremo carboxílico

enlace peptídico enlace formado entre dos aminoácidos por una reacción de deshidratación

fosfolípido constituyente principal de las membranas; compuesto por dos ácidos grasos y un grupo que contiene fosfato unido a una columna vertebral de glicerol

polipéptido cadena larga de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos

polisacárido cadena larga de monosacáridos; puede ser ramificado o no ramificado

estructura primaria secuencia lineal de aminoácidos en una proteína

proteína macromolécula biológica compuesta por una o más cadenas de aminoácidos

Estructura cuaternaria asociación de subunidades polipeptídicas discretas en una proteína

ácido graso saturado hidrocarburo de cadena larga con enlaces covalentes simples en la cadena de carbono; se maximiza el número de átomos de hidrógeno unidos al esqueleto carbónico

estructura secundaria estructura regular formada por proteínas mediante enlaces de hidrógeno intramoleculares entre el átomo de oxígeno de un residuo de aminoácido y el hidrógeno unido al átomo de nitrógeno de otro residuo de aminoácido

almidón almacenamiento de carbohidratos en plantas

esteroide tipo de lípido compuesto por cuatro anillos de hidrocarburos fusionados que forman una estructura plana

estructura terciaria conformación tridimensional de una proteína, incluidas las interacciones entre elementos estructurales secundarios; formado a partir de interacciones entre cadenas laterales de aminoácidos

grasas trans Grasa formada artificialmente por la hidrogenación de aceites, que conduce a una disposición de dobles enlaces diferente a la que se encuentra en los lípidos naturales.

triacilglicerol (también, triglicérido) molécula de grasa; consta de tres ácidos grasos unidos a una molécula de glicerol

ácido graso insaturado hidrocarburo de cadena larga que tiene uno o más dobles enlaces en la cadena de hidrocarburos

cera lípido hecho de un ácido graso de cadena larga que se esterifica a un alcohol de cadena larga; sirve como una capa protectora en algunas plumas, pelaje de mamíferos acuáticos y hojas


6.2 Energía potencial, cinética, libre y de activación

En esta sección, explorará las siguientes preguntas:

  • Qué es energía"?
  • ¿Cuál es la diferencia entre energía cinética y potencial?
  • ¿Qué es la energía libre y cómo se relaciona la energía libre con la energía de activación?
  • ¿Cuál es la diferencia entre reacciones endergónicas y exergónicas?

Conexión para cursos AP ®

Aunque las células y los organismos requieren energía libre para sobrevivir, no pueden crear energía de manera espontánea, como se establece en la Ley de Conservación de la Energía. La energía está disponible en diferentes formas. Por ejemplo, los objetos en movimiento poseen energía cinética, mientras que los objetos que no están en movimiento poseen energía potencial. La energía química en las moléculas, como la glucosa, es energía potencial porque cuando los enlaces se rompen en las reacciones químicas, se libera energía libre. La energía libre es una medida de energía que está disponible para realizar un trabajo. La energía libre de un sistema cambia durante las transferencias de energía, como las reacciones químicas, y este cambio se conoce como ΔG o energía libre de Gibbs. El ΔG de una reacción puede ser negativo o positivo, dependiendo de si la reacción libera energía (exergónica) o requiere un aporte de energía (endergónica). Todas las reacciones requieren una entrada de energía llamada energía de activación para alcanzar el estado de transición en el que continuarán. (En otra sección, exploraremos cómo las enzimas aceleran las reacciones químicas al reducir las barreras de energía de activación).

La información presentada y los ejemplos resaltados en la sección apoyan los conceptos y los objetivos de aprendizaje descritos en la Gran Idea 2 del Marco del Currículo de Biología AP ®. Los objetivos de aprendizaje enumerados en el marco curricular proporcionan una base transparente para el curso de biología AP ®, una experiencia de laboratorio basada en la investigación, actividades de instrucción y preguntas del examen AP ®. Un objetivo de aprendizaje combina el contenido requerido con una o más de las siete prácticas científicas.

Gran idea 2 Los sistemas biológicos utilizan energía libre y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener la homeostasis dinámica.
Comprensión duradera 2.A El crecimiento, la reproducción y el mantenimiento de los sistemas vivos requieren energía y materia libres.
Conocimiento esencial 2.A.1 Todos los sistemas vivos requieren un aporte constante de energía libre.
Práctica de la ciencia 6.2 El alumno puede construir explicaciones de fenómenos basados ​​en evidencia producida a través de prácticas científicas.
Objetivo de aprendizaje 2.1 El estudiante es capaz de explicar cómo los sistemas biológicos utilizan energía libre basándose en datos empíricos que todos los organismos requieren un aporte de energía constante para mantener la organización, crecer y reproducirse.
Conocimiento esencial 2.A.1 Todos los sistemas vivos requieren un aporte constante de energía libre.
Práctica de la ciencia 6.2 El estudiante puede justificar afirmaciones con pruebas.
Objetivo de aprendizaje 2.2 El estudiante es capaz de justificar una afirmación científica de que se requiere energía libre para que los sistemas vivos mantengan la organización, crezcan o se reproduzcan, pero que existen múltiples estrategias en diferentes sistemas vivos.

Las preguntas del desafío de práctica científica contienen preguntas de prueba adicionales para esta sección que lo ayudarán a prepararse para el examen AP. Estas preguntas abordan los siguientes estándares:
[APLO 2.5]

La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo. Como ha aprendido, la energía existe en diferentes formas. Por ejemplo, la energía eléctrica, la energía luminosa y la energía térmica son todos tipos diferentes de energía. Si bien todos estos son tipos de energía familiares que uno puede ver o sentir, hay otro tipo de energía que es mucho menos tangible. Esta energía está asociada con algo tan simple como un objeto sostenido por encima del suelo. Para apreciar la forma en que la energía entra y sale de los sistemas biológicos, es importante comprender más sobre los diferentes tipos de energía que existen en el mundo físico.

Tipos de energía

Cuando un objeto está en movimiento, hay energía asociada con ese objeto. En el ejemplo de un avión en vuelo, hay una gran cantidad de energía asociada con el movimiento del avión. Esto se debe a que los objetos en movimiento son capaces de realizar un cambio o realizar un trabajo. Piense en una bola de demolición. Incluso una bola de demolición lenta puede causar mucho daño a otros objetos. Sin embargo, una bola de demolición que no está en movimiento es incapaz de realizar el trabajo. La energía asociada con los objetos en movimiento se llama energía cinética. Una bala acelerada, una persona que camina, el movimiento rápido de moléculas en el aire (que produce calor) y la radiación electromagnética como la luz tienen energía cinética.

Ahora, ¿qué pasa si esa misma bola de demolición inmóvil se eleva dos pisos por encima de un automóvil con una grúa? Si la bola de demolición suspendida no se mueve, ¿hay energía asociada con ella? La respuesta es sí. La bola de demolición suspendida tiene asociada una energía que es fundamentalmente diferente de la energía cinética de los objetos en movimiento. Esta forma de energía resulta del hecho de que existe la potencial para que la bola de demolición funcione. Si se lanza, de hecho funcionaría. Debido a que este tipo de energía se refiere al potencial para realizar un trabajo, se le llama energía potencial. Los objetos transfieren su energía entre cinética y potencial de la siguiente manera: cuando la bola de demolición cuelga inmóvil, tiene 0 cinética y 100 por ciento de energía potencial. Una vez que se libera, su energía cinética comienza a aumentar porque aumenta la velocidad debido a la gravedad. Al mismo tiempo, a medida que se acerca al suelo, pierde energía potencial. En algún lugar a mediados del otoño tiene un 50 por ciento de energía cinética y un 50 por ciento de energía potencial. Justo antes de tocar el suelo, la pelota casi ha perdido su energía potencial y tiene una energía cinética casi máxima. Otros ejemplos de energía potencial incluyen la energía del agua retenida detrás de una presa (Figura 6.6) o una persona a punto de saltar en paracaídas desde un avión.

La energía potencial no solo está asociada con la ubicación de la materia (como un niño sentado en la rama de un árbol), sino también con la estructura de la materia. Un resorte en el suelo tiene energía potencial si se comprime, al igual que una banda elástica que se tensa. La mera existencia de células vivas depende en gran medida de la energía potencial estructural. A nivel químico, los enlaces que mantienen unidos los átomos de las moléculas tienen energía potencial. Recuerde que las vías celulares anabólicas requieren energía para sintetizar moléculas complejas a partir de otras más simples, y las vías catabólicas liberan energía cuando se descomponen moléculas complejas. El hecho de que la energía pueda ser liberada por la ruptura de ciertos enlaces químicos implica que esos enlaces tienen energía potencial. De hecho, hay energía potencial almacenada dentro de los enlaces de todas las moléculas de alimentos que comemos, que eventualmente se aprovecha para su uso. Esto se debe a que estos enlaces pueden liberar energía cuando se rompen. El tipo de energía potencial que existe dentro de los enlaces químicos y que se libera cuando esos enlaces se rompen se llama energía química (Figura 6.7). La energía química es responsable de proporcionar a las células vivas la energía de los alimentos. La liberación de energía se produce al romper los enlaces moleculares dentro de las moléculas de combustible.

Apoyo a los profesores

Dibuje ejemplos de la clase de energía potencial frente a energía cinética. Tenga varios preparados de antemano. Si solo se dan algunos ejemplos, pregunte a los estudiantes en qué categoría se incluyen sus ejemplos. Incluya ejemplos de energía química, como los calentadores de manos que dependen de la liberación química de calor, gasolina y pólvora. Termine con la energía química en el ATP, enfatizando que es un tipo de energía potencial y su papel en el metabolismo.

Enlace al aprendizaje

Visite este sitio y seleccione "Un péndulo simple" en el menú (en "Movimiento armónico") para ver la cinética cambiante (K) y la energía potencial (U) de un péndulo en movimiento.

  1. La energía cinética aumenta cuando el niño se balancea hacia abajo. La energía potencial aumenta cuando el niño se balancea hacia arriba.
  2. La energía cinética disminuye cuando el niño se balancea hacia abajo. La energía potencial disminuye cuando el niño se balancea hacia arriba.
  3. La energía cinética aumenta cuando el niño se balancea hacia arriba. La energía potencial aumenta cuando el niño gira hacia abajo.
  4. La energía cinética aumenta cuando el niño se balancea hacia abajo. La energía potencial aumenta cuando el niño se balancea hacia abajo.

Energía gratis

Después de aprender que las reacciones químicas liberan energía cuando se rompen los enlaces que almacenan energía, la siguiente pregunta importante es ¿cómo se cuantifica y expresa la energía asociada con las reacciones químicas? ¿Cómo se puede comparar la energía liberada por una reacción con la de otra reacción? Se utiliza una medida de energía libre para cuantificar estas transferencias de energía. La energía libre se llama energía libre de Gibbs (abreviada con la letra G) en honor a Josiah Willard Gibbs, el científico que desarrolló la medición. Recuerde que de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, todas las transferencias de energía implican la pérdida de cierta cantidad de energía en una forma inutilizable como el calor, lo que resulta en entropía. La energía libre de Gibbs se refiere específicamente a la energía asociada con una reacción química que está disponible después de contabilizar la entropía. En otras palabras, la energía libre de Gibbs es energía utilizable o energía que está disponible para realizar un trabajo.

Cada reacción química implica un cambio en la energía libre, llamado delta G (∆G). El cambio de energía libre se puede calcular para cualquier sistema que sufra tal cambio, como una reacción química. Para calcular ∆G, reste la cantidad de energía perdida por entropía (denotada como ∆S) del cambio total de energía del sistema. Este cambio de energía total en el sistema se llama entalpía y se denota como ∆H. La fórmula para calcular ∆G es la siguiente, donde el símbolo T se refiere a la temperatura absoluta en Kelvin (grados Celsius + 273):

El cambio de energía libre estándar de una reacción química se expresa como una cantidad de energía por mol del producto de reacción (ya sea en kilojulios o kilocalorías, kJ / mol o kcal / mol 1 kJ = 0.239 kcal) bajo pH, temperatura y presión estándar condiciones. Las condiciones estándar de pH, temperatura y presión se calculan generalmente a pH 7,0 en sistemas biológicos, 25 grados Celsius y 100 kilopascales (1 atm de presión), respectivamente. Es importante tener en cuenta que las condiciones celulares varían considerablemente de estas condiciones estándar, por lo que los valores de ∆G calculados estándar para las reacciones biológicas serán diferentes dentro de la célula.

Reacciones endergónicas y reacciones exergónicas

Si se libera energía durante una reacción química, entonces el valor resultante de la ecuación anterior será un número negativo. En otras palabras, las reacciones que liberan energía tienen un ∆G & lt 0. Un ∆G negativo también significa que los productos de la reacción tienen menos energía libre que los reactivos, porque emiten algo de energía libre durante la reacción. Las reacciones que tienen un ∆G negativo y, en consecuencia, liberan energía libre se denominan reacciones exergónicas. Pensar: exergonómico significa que la energía es exiting el sistema. Estas reacciones también se conocen como reacciones espontáneas, porque pueden ocurrir sin la adición de energía al sistema. Comprender qué reacciones químicas son espontáneas y liberan energía libre es extremadamente útil para los biólogos, porque estas reacciones pueden aprovecharse para realizar un trabajo dentro de la célula. Debe establecerse una distinción importante entre el término espontáneo y la idea de una reacción química que ocurre inmediatamente. Contrariamente al uso cotidiano del término, una reacción espontánea no es aquella que ocurre repentina o rápidamente. La oxidación del hierro es un ejemplo de una reacción espontánea que se produce lentamente, poco a poco, con el tiempo.

Si una reacción química requiere una entrada de energía en lugar de liberar energía, entonces el ∆G para esa reacción será un valor positivo. In this case, the products have more free energy than the reactants. Thus, the products of these reactions can be thought of as energy-storing molecules. These chemical reactions are called endergonic reactions , and they are non-spontaneous. An endergonic reaction will not take place on its own without the addition of free energy.

Let’s revisit the example of the synthesis and breakdown of the food molecule, glucose. Remember that the building of complex molecules, such as sugars, from simpler ones is an anabolic process and requires energy. Therefore, the chemical reactions involved in anabolic processes are endergonic reactions. On the other hand, the catabolic process of breaking sugar down into simpler molecules releases energy in a series of exergonic reactions. Like the example of rust above, the breakdown of sugar involves spontaneous reactions, but these reactions don’t occur instantaneously. Figure 6.8 shows some other examples of endergonic and exergonic reactions. Later sections will provide more information about what else is required to make even spontaneous reactions happen more efficiently.

Conexión visual

Evaluate each of the processes shown in terms of the relationship between type of reaction and whether energy is stored or released. Decide for each if the process is endergonic or exergonic, and whether both enthalpy and entropy increase or decrease.

  1. (a) Compost pile decomposition is endergonic, enthalpy increases and entropy decreases. (b) A baby developing from an egg is an endergonic process, enthalpy decreases and entropy decreases. (c) Sand art being destroyed is exergonic, no change in enthalpy and entropy decreases. (d) A ball rolling downhill is an exergonic process, enthalpy decreases and entropy decreases.
  2. Compost pile decomposition is exergonic, enthalpy decreases and entropy decreases. (b) A baby developing from an egg is an endergonic process, enthalpy increases and entropy decreases. (c) Sand art being destroyed is exergonic, enthalpy increases and entropy increases. (d) A ball rolling downhill is an endergonic process, enthalpy decreases and entropy increases.
  3. (a) Compost pile decomposition is endergonic, enthalpy decreases and entropy decreases. (b) A baby developing from an egg is an exergonic process, enthalpy decreases and entropy increases. (c) Sand art being destroyed is endergonic, enthalpy increases and entropy increases. (d) A ball rolling down a hill is an exergonic process, enthalpy decreases and entropy decreases.
  4. (a) Compost pile decomposition is endergonic, enthalpy increases and entropy increases. (b) A baby developing from an egg is an endergonic process, enthalpy decreases and entropy decreases. (c) Sand art being destroyed is exergonic, no change in enthalpy and entropy increases. (d) A ball rolling down a hill is an exergonic process, enthalpy decreases and no change in entropy.

Un concepto importante en el estudio del metabolismo y la energía es el de equilibrio químico. La mayoría de las reacciones químicas son reversibles. They can proceed in both directions, releasing energy into their environment in one direction, and absorbing it from the environment in the other direction (Figure 6.9). Lo mismo es cierto para las reacciones químicas involucradas en el metabolismo celular, como la descomposición y acumulación de proteínas hacia y desde aminoácidos individuales, respectivamente. Los reactivos dentro de un sistema cerrado sufrirán reacciones químicas en ambas direcciones hasta que se alcance un estado de equilibrio. This state of equilibrium is one of the lowest possible free energy and a state of maximal entropy. Energy must be put into the system to push the reactants and products away from a state of equilibrium. Either reactants or products must be added, removed, or changed. If a cell were a closed system, its chemical reactions would reach equilibrium, and it would die because there would be insufficient free energy left to perform the work needed to maintain life. In a living cell, chemical reactions are constantly moving towards equilibrium, but never reach it. This is because a living cell is an open system. Materials pass in and out, the cell recycles the products of certain chemical reactions into other reactions, and chemical equilibrium is never reached. In this way, living organisms are in a constant energy-requiring, uphill battle against equilibrium and entropy. This constant supply of energy ultimately comes from sunlight, which is used to produce nutrients in the process of photosynthesis.

Apoyo a los profesores

The concept or entropy can be difficult. Have the students survey their neighborhood for houses, sheds, store fronts, any structures that are deteriorating due to lack of maintenance. Also have them identify older homes, buildings that are in good shape and are actively maintained.

Energía de activación

There is another important concept that must be considered regarding endergonic and exergonic reactions. Even exergonic reactions require a small amount of energy input to get going before they can proceed with their energy-releasing steps. These reactions have a net release of energy, but still require some energy in the beginning. This small amount of energy input necessary for all chemical reactions to occur is called the activation energy (or free energy of activation) and is abbreviated EA (Figure 6.10).

Why would an energy-releasing, negative ∆G reaction actually require some energy to proceed? La razón radica en los pasos que tienen lugar durante una reacción química. During chemical reactions, certain chemical bonds are broken and new ones are formed. For example, when a glucose molecule is broken down, bonds between the carbon atoms of the molecule are broken. Since these are energy-storing bonds, they release energy when broken. However, to get them into a state that allows the bonds to break, the molecule must be somewhat contorted. A small energy input is required to achieve this contorted state. This contorted state is called the transition state , and it is a high-energy, unstable state. For this reason, reactant molecules don’t last long in their transition state, but very quickly proceed to the next steps of the chemical reaction. Free energy diagrams illustrate the energy profiles for a given reaction. Whether the reaction is exergonic or endergonic determines whether the products in the diagram will exist at a lower or higher energy state than both the reactants and the products. However, regardless of this measure, the transition state of the reaction exists at a higher energy state than the reactants, and thus, EA is always positive.

Enlace al aprendizaje

Watch an animation of the move from free energy to transition state at this site.

  1. Transitional states are stable because molecules have relaxed molecular structure with low energy.
  2. Transitional states are unstable because molecules have strained molecular structure with high energy.
  3. Transitional states are unstable because molecules have relaxed molecular structure with high energy.
  4. Transitional states are stable because molecules have strained molecular structure with low energy.

Where does the activation energy required by chemical reactants come from? The source of the activation energy needed to push reactions forward is typically heat energy from the surroundings. Heat energy (the total bond energy of reactants or products in a chemical reaction) speeds up the motion of molecules, increasing the frequency and force with which they collide it also moves atoms and bonds within the molecule slightly, helping them reach their transition state. For this reason, heating up a system will cause chemical reactants within that system to react more frequently. Increasing the pressure on a system has the same effect. Once reactants have absorbed enough heat energy from their surroundings to reach the transition state, the reaction will proceed.

The activation energy of a particular reaction determines the rate at which it will proceed. Cuanto mayor sea la energía de activación, más lenta será la reacción química. El ejemplo de la oxidación del hierro ilustra una reacción inherentemente lenta. This reaction occurs slowly over time because of its high EA. Additionally, the burning of many fuels, which is strongly exergonic, will take place at a negligible rate unless their activation energy is overcome by sufficient heat from a spark. Once they begin to burn, however, the chemical reactions release enough heat to continue the burning process, supplying the activation energy for surrounding fuel molecules. Al igual que estas reacciones fuera de las células, la energía de activación para la mayoría de las reacciones celulares es demasiado alta para que la energía térmica la supere a un ritmo eficiente. In other words, in order for important cellular reactions to occur at appreciable rates (number of reactions per unit time), their activation energies must be lowered (Figure 6.10) this is referred to as catalysis. This is a very good thing as far as living cells are concerned. Las macromoléculas importantes, como las proteínas, el ADN y el ARN, almacenan una energía considerable y su descomposición es exergónica. Si las temperaturas celulares por sí solas proporcionaran suficiente energía térmica para que estas reacciones exergónicas superen sus barreras de activación, los componentes esenciales de una célula se desintegrarían.

Apoyo a los profesores

Clearly explain the significance of the activation energy needed for chemical reactions, even with exergonic reactions. Use the figure of exergonic reactions with a delta G less than zero to show that though the change in energy is negative, there still is a need for activation energy. Include examples of ways that enzymes lower the activation energy needed. Emphasize that this is the way enzymes ““speed up”” reactions, they make it easier for the reactions to occur.


Biological Molecules

los shared electrons between the oxygen and hydrogen atoms in water are not shared evenly. los oxygen atom has a greater pull on the shared electrons than the hydrogen atoms so the oxygen atom se convierte en slightly negatively charged y el hydrogen atom se convierte en slightly positively charged so that there is an uneven charge distribution across the molecule, making water polar.

b) describe, with the aid of diagrams, the structure of an amino acid

c) describe, with the aid of diagrams, the formation and breakage of peptide bonds in the synthesis and hydrolysis of dipeptides and polypeptides

Haemoglobin es un globular protein hecho de 4 polypeptide chains (2 alpha chains and 2 beta chains), bonded together. They have a prosthetic group Cuál es el haem group – they have 4 haem groups.

Haemoglobin’s function is to carry oxygen from the lungs to the tissues. Eso binds oxygen in the lungs and releases it in the tissues.

(g) explain, with the aid of diagrams, the term quaternary structure, with reference to the structure of haemoglobin

Heating a protein increases the kinetic energy in the molecules. This causes the molecules to vibrate y rotura the bonds holding the tertiary structure in place as most of the bonds holding the tertiary structure in place are quite débil (not covalent – hydrogen, ionic, hydrophilic or hydrophobic bonds), so they are easily broken.

If enough heat is applied, the whole tertiary structure can unravel and the protein will no longer function – this is called desnaturalización.

(h) describe, with the aid of diagrams, the structure of a collagen molecule

Collagen is a fibrous protein which is an important structural component in cell walls as it’s very strong. It can be found in piel, tendones, cartilages, huesos y dientes.

A collagen molecule is made up of three polypeptide chains wound around each other to form a twisted rope. Enlaces de hidrógeno form between the chains, which gives the structure fuerza. Covalent bonds, called cross-links, form between other collagen molecules, adds to the fuerza.

Collagen can give fuerza en el walls of arteries to withstand high pressure as well as the tendones to connect skeletal muscles to bonds. Collagen can form huesos, cartílago y connective tejido.

(i) compare the structure and function of haemoglobin (as an example of a globular protein) and collagen (as an example of a fibrous protein)

Functions of Lipids in Living Organisms:

  • Source of energy – respire to release energy
  • Energy storage – stored as adipose cells
  • Membranes – phospholipid bilayer
  • Insulation – e.g. blubber in whales
  • Proteccion – e.g. surface of plant protected against drying out
  • Hormonas – e.g. hormonas esteroides

(s) describe how the concentration of glucose in a solution may be determined using colorimetry

los Benedict’s Test reveals the presence of reducing sugars by producing an orange-red precipitate. The more reducing sugar there is present, the more precipitate will be formed, and the more Benedict’s solution (copper sulfate) will be ‘used up’. If the precipitate is filtered out, entonces el concentration of the remaining solution can be measured. This will tell you how much Benedict’s solution has been used up.

The calorimeter is a device that shines a beam of light through a sample. A photoelectric cell picks up the light that is passed through the sample and gives a reading on how much light has passed through.

  • Usar agua para calibrate the colorimeter (for 100% transmission/ 0% absorption)
  • Place the solution in a sample chamber between the light and the photoelectric cell in a cuvette.
  • los more copper sulfate that is used up in Benedict’s Test in a sample, the less light will be blocked out y el more light will be transmitted.
  • Plot these readings on a graph to show light getting though (transmission) against reducing sugar concentration, creating a calibration curve.
  • If there is an unknown sample, use the graph to find the equivalent reducing sugar concentration for the reading on the calorimeter.
  • Colour filters are often used for greater accuracy – in this case, a red filter would be used.

The higher the glucose concentration, the higher the transmission and the lower the absorption.


Ver el vídeo: Moléculas biológicas (Agosto 2022).