Bioquímica, química en biología
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Desde la tierra misma, hasta las plantas verdes o secas, el mar y las aguas en general, hasta el cielo y sus astros, como diversos componentes de cosas cotidianas como las casas (madera, ladrillos, tejado, etc.), todo ello al igual que los seres biológicos están conformados por sustancias químicas básicas que muchas veces, a nivel de elementos, son las mismas que forman parte de los animales terrestres y acuáticos, y el hombre. Los componentes de los organismos terrestres se encuentran en la tierra y no en pocas proporciones. (El animal que ves corriendo parece un toro, pero en realidad es una imagen que representa la figura de un bisonte). |
Bioquímica y química orgánica
La bioquímica es el campo científico que estudia las reacciones químicas y las interacciones que tienen lugar en los organismos vivos. Esto incluye el estudio de las sustancias químicas presentes en los seres vivos, como proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos, y cómo estas moléculas participan en los procesos metabólicos y biológicos.
Por otro lado, la química orgánica se encarga del estudio de los compuestos orgánicos, es decir, aquellos que contienen enlaces covalentes carbono-carbono o carbono-hidrógeno. Esta rama de la química está íntimamente relacionada con la bioquímica, porque la mayoría de los compuestos biológicos importantes contienen carbono.
Un bioquímico o una persona que estudia bioquímica y química orgánica se encarga de comprender los procesos químicos que tienen lugar en los seres vivos. Esto implica analizar la estructura, función y reactividad de las moléculas orgánicas presentes en organismos biológicos, así como estudiar cómo estas sustancias participan en el metabolismo y otras actividades celulares. Los bioquímicos trabajan en campos como la medicina, la farmacología, la biotecnología y la investigación científica, aplicando sus conocimientos para entender y manipular los sistemas biológicos.
Los principales componentes químicos que conforman el cuerpo humano y de otras especies son:
Elementos químicos principales: Oxígeno (O), Carbono (C), Hidrógeno (H), Nitrógeno (N), Calcio (Ca) y Fósforo (P). Estos seis elementos representan aproximadamente el 99% de la masa total del cuerpo humano.
Otros elementos presentes en menor proporción: Potasio (K), Azufre (S), Sodio (Na), Cloro (Cl), Hierro (Fe), Magnesio (Mg) y otros oligoelementos.
Estos elementos se combinan formando moléculas orgánicas como proteínas, lípidos, carbohidratos y ácidos nucleicos, que son los principales constituyentes de las células y tejidos.
Además, el cuerpo humano contiene una gran cantidad de agua, que representa aproximadamente el 65% de la masa corporal total.
Los elementos inorgánicos como los iones de sodio, potasio, calcio, magnesio, cloruro y fosfato, también desempeñan funciones esenciales en el metabolismo y la regulación de los procesos fisiológicos.
En resumen, la composición química del cuerpo humano y de otros seres vivos se basa principalmente en seis elementos químicos fundamentales, que se combinan formando las biomoléculas necesarias para la estructura y funciones vitales.
El carbono y el nitrógeno son elementos esenciales que se encuentran tanto en el cuerpo humano y otras especies como en objetos inanimados de uso cotidiano. Estos elementos, presentes en la naturaleza en diversas formas, desempeñan funciones vitales en múltiples aspectos de la vida diaria.
El carbono, por ejemplo, se encuentra en una amplia variedad de objetos y materiales que utilizan los humanos a diario. Desde los plásticos que conforman los utensilios, envases de alimentos y juguetes, hasta la madera de los muebles y marcos de ventanas, el carbono está presente en forma de polímeros que dan estructura y funcionalidad a estos elementos. Además, en combustibles como la gasolina, el gas natural y el propano, el carbono es un componente fundamental que impulsa los vehículos, calienta los hogares y permite cocinar.
En el ámbito textil, las fibras naturales como el algodón y la lana, así como las sintéticas como el poliéster y el nailon, contienen carbono y son la base de la vestimenta diaria. Incluso en la alimentación, los carbohidratos, proteínas y grasas que consumen humanos y otras especies son macromoléculas a base de carbono, proporcionando la energía y los nutrientes necesarios para sus organismos.
Por otro lado, el nitrógeno, otro elemento esencial, también se encuentra en una variedad de objetos y aparatos cotidianos. En el embalaje de alimentos y bebidas, el nitrógeno se utiliza para prolongar la vida útil de los productos al desplazar el aire y evitar el deterioro. En la industria farmacéutica y médica, el nitrógeno se emplea para preservar la calidad de medicamentos y productos sensibles al aire.
Además, el nitrógeno está presente en la producción de acero inoxidable para aumentar su resistencia a la corrosión, en la impresión de productos para secar la tinta, y en la fabricación de fertilizantes sintéticos que promueven el crecimiento de las plantas en la agricultura.
Estos ejemplos demuestran cómo elementos como el carbono y el nitrógeno, fundamentales para la vida en la Tierra, están presentes no solo en los seres vivos, sino también en los objetos inanimados que utilizamos en nuestra vida diaria. Esta interconexión entre los componentes del cuerpo humano, otras especies y los objetos cotidianos resalta la importancia y la omnipresencia de estos elementos en nuestro entorno.
El carbono y el nitrógeno son componentes naturales esenciales que se encuentran presentes en una variedad de elementos en la naturaleza. En cuanto al carbono, se puede hallar en la atmósfera en forma de dióxido de carbono (CO2), un gas crucial para regular la temperatura terrestre y mantener el equilibrio climático. Además, grandes cantidades de carbono se almacenan en rocas sedimentarias como la piedra caliza y en combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural, los cuales son fundamentales como fuentes de energía pero contribuyen al aumento de CO2 en la atmósfera.
Por otro lado, el nitrógeno se encuentra en la atmósfera en forma de nitrógeno molecular (N2), constituyendo aproximadamente el 78% de la misma. Aunque esta forma de nitrógeno es inerte y no directamente disponible para la mayoría de los organismos, es esencial para el ciclo del nitrógeno, un proceso biogeoquímico que convierte el nitrógeno entre diferentes formas químicas. Además, el nitrógeno se encuentra en el suelo y el agua en forma de nitratos y nitritos, fundamentales para la nutrición de las plantas y el crecimiento de los cultivos en la agricultura.
Estos elementos naturales, el carbono y el nitrógeno, no solo son fundamentales para la vida en la Tierra, sino que también tienen un impacto significativo en la vida diaria de los humanos que habitan la tierra y en la naturaleza. Su presencia en el ambiente influye en procesos vitales como el ciclo del carbono y del nitrógeno, la regulación climática, la producción de alimentos y la generación de energía. Es importante comprender y valorar la importancia de estos componentes naturales para mantener el equilibrio y la sostenibilidad de nuestro planeta.
El agua es el compuesto más abundante que contiene hidrógeno y oxígeno en la Tierra, presente en océanos, lagos, ríos, casquetes de hielo e incluso en la atmósfera como vapor de agua. Además, es un componente importante de muchos productos fabricados por humanos, como bebidas, soluciones de limpieza y procesos industriales.
El concreto, utilizado en la construcción de edificios, carreteras y otras infraestructuras, requiere agua como ingrediente clave para reaccionar con el cemento y formar un material endurecido.
Muchos ácidos (por ejemplo, ácido sulfúrico - H2SO4) y bases contienen hidrógeno y oxígeno, siendo ampliamente utilizados en procesos industriales, laboratorios y algunos productos de limpieza del hogar.
Materiales orgánicos fabricados por humanos, como plásticos, polímeros y fibras sintéticas, contienen tanto hidrógeno como oxígeno.
Los carbohidratos, compuestos orgánicos compuestos de carbono, hidrógeno y oxígeno, se encuentran en muchos productos alimenticios y materiales derivados de plantas.
Los alcoholes, como el etanol (C2H5OH), son compuestos orgánicos que contienen hidrógeno y oxígeno, utilizados como disolventes, combustibles y en la producción de bebidas alcohólicas.
El peróxido de hidrógeno (H2O2) es un desinfectante y agente blanqueador común.
Es importante destacar que, aunque el hidrógeno y el oxígeno son elementos esenciales para la vida, su presencia en un compuesto no lo hace necesariamente "vivo". La disposición e interacción de estos elementos con otros determinan si algo es considerado como vivo o no vivo.
Los materiales orgánicos y los inorgánicos se diferencian principalmente por su composición química:
Materiales orgánicos:
Están compuestos principalmente por átomos de carbono que forman enlaces covalentes con otros átomos como hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, etc.
Ejemplos típicos son las proteínas, lípidos, carbohidratos y ácidos nucleicos, que son las principales biomoléculas que conforman los seres vivos.
La química orgánica se encarga del estudio de estos compuestos que contienen enlaces carbono-carbono o carbono-hidrógeno.
Materiales inorgánicos:
No contienen enlaces carbono-carbono o carbono-hidrógeno.
Están formados por otros elementos químicos como metales, minerales, sales, ácidos y bases.
Ejemplos son el agua, el dióxido de carbono, los iones minerales disueltos, los compuestos de calcio y fósforo en los huesos, entre otros.
La química inorgánica estudia este tipo de compuestos que no poseen enlaces carbono-hidrógeno.
En resumen, la principal diferencia radica en que los materiales orgánicos se basan en la química del carbono, mientras que los inorgánicos no. Esta distinción es fundamental para comprender la composición y propiedades de los diferentes tipos de sustancias, tanto en sistemas biológicos como en la química en general.
De acuerdo a la información verificada actualmente, el agua (H2O) es un componente muy importante en los organismos biológicos, incluyendo el cuerpo humano. Se estima que aproximadamente el 65% del cuerpo humano adulto está compuesto por agua.
Si bien el agua es esencial para la vida terrestre y se encuentra presente en gran cantidad dentro de los seres vivos de la tierra, se considera una sustancia inorgánica. Esto se debe a que el agua no contiene enlaces carbono-carbono o carbono-hidrógeno, que son característicos de las moléculas orgánicas.
Los expertos indican que los principales elementos que conforman los organismos biológicos son el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, calcio, fósforo, azufre, potasio y cloro. Estos elementos se combinan formando las biomoléculas orgánicas como carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
En contraste, el agua es una molécula inorgánica compuesta únicamente por hidrógeno y oxígeno, sin presencia de carbono. Por lo tanto, a pesar de ser un componente esencial y abundante en los seres vivos, el agua se clasifica como una sustancia inorgánica.
En resumen, el agua representa aproximadamente el 65% de la masa corporal del organismo humano y más o menos lo mismo sería para otras especies que se incluyen en la categoría de mamíferos, pero se considera un material inorgánico debido a su composición química, que no incluye enlaces carbono-carbono o carbono-hidrógeno característicos de las biomoléculas orgánicas.
Insectos:
Los insectos generalmente tienen un alto contenido de agua en relación con su fuente de alimento, conservando la mayoría de su agua corporal para minimizar la pérdida de agua. Sin embargo, el porcentaje exacto puede variar según la dieta y el entorno del insecto.
Reptiles:
El contenido de agua corporal de los reptiles puede variar entre 63,6% y 81,3%. Se ha informado un promedio del 72,3% para lagartijas.
Anfibios:
Los anfibios suelen tener un alto contenido de agua, alrededor de dos tercios de su peso. Su piel permeable requiere que vivan cerca del agua y los hace sensibles a la calidad del agua.
Peces:
Los peces generalmente consisten en un 66% a 84% de agua. El contenido de humedad suele variar entre el 60% y el 80% para la mayoría de las especies de peces.
Aves:
Las aves adultas tienen un promedio de aproximadamente el 60% de agua, independientemente del tamaño del ave. Las aves jóvenes pueden tener un TBW (agua corporal total) de aproximadamente el 80%, que disminuye con la edad.
Mamíferos:
Los mamíferos adultos son aproximadamente dos tercios agua. El agua corporal total comprende en promedio el 64,5% del peso corporal en mamíferos adultos.
Esta información destaca la importancia del agua en diferentes grupos de animales y cómo varía según la especie, la edad, el hábitat y la dieta. ¡El agua es esencial para la vida de todos los seres biológicos!
El cuerpo de la planta está compuesto principalmente de agua (80-90%). Sin embargo, la biomasa seca se compone principalmente de carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno.
Según la información científica moderna, estimar la cantidad total de agua en el universo es una tarea compleja y actualmente no hay una respuesta definitiva. Sin embargo, en física se postula que el agua se formó temprano en el universo, posiblemente entre 100 y 200 millones de años después del Big Bang. Se ha descubierto que el agua existe en diversas formas en el universo, como vapor, hielo y posiblemente líquido en diferentes ubicaciones.
Los científicos han encontrado vastos depósitos de agua en el universo, como una nube de vapor de agua que contiene 140 billones de veces más agua que todos los océanos de la Tierra combinados. Esta reserva se encuentra alrededor de un cuásar a miles de millones de años luz de distancia. Además, hay evidencia de agua, principalmente en forma de hielo, en otros planetas y lunas de nuestro sistema solar, como Europa (la cuarta luna más grande de las 95 lunas que atribuidas al planeta Júpiter), que podría tener océanos subsuperficiales con más agua que la Tierra.
Los cuásares son objetos astronómicos extremadamente luminosos y energéticos que se encuentran en el espacio y que están asociados con la presencia de grandes cantidades de agua en su entorno. Los cuásares son objetos celestes distantes que emiten grandes cantidades de energía, siendo algunos de los objetos más brillantes y energéticos del universo. Se cree que los cuásares son núcleos galácticos activos con agujeros negros supermasivos en su centro. Estos agujeros negros absorben materia circundante, lo que genera una intensa emisión de radiación en diferentes longitudes de onda, incluida la luz visible.
En el espacio interestelar y en el vacío del espacio, el agua se encuentra principalmente en forma de vapor o hielo. Debido a la extremadamente baja densidad del espacio interestelar, el agua en estado líquido no puede existir. En cambio, el agua se encuentra recubriendo granos de polvo interestelar en forma de vapor o mantos de hielo.
En las nubes moleculares, el agua existe como hielo en los granos de polvo y como vapor de agua en vastas regiones de gas y polvo en el espacio donde nacen las estrellas. Además, en el medio interestelar, el agua es relativamente abundante y se forma a través de reacciones químicas entre moléculas de hidrógeno y moléculas que contienen oxígeno, como el monóxido de carbono.
Por causa de la vastedad del universo y las limitaciones de las capacidades observacionales actuales, es científicamente (para la llamada ciencia moderna) casi imposible determinar la cantidad total de agua en el universo. Sin embargo, se destaca que el hidrógeno es el elemento más común en el universo, seguido por el oxígeno, lo que sugiere que el potencial para la formación de agua es amplio.
En resumen, aunque no se tiene una cifra precisa, la evidencia disponible indica que el agua es un componente significativo del universo, desempeñando un papel crucial en la formación de estrellas y galaxias, y potencialmente apoyando el desarrollo de la vida.
Aquí tienes una explicación didáctica sobre la presencia de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno en el universo en diversas formas:
Estrellas: Estos elementos se crean en las estrellas a través de la fusión nuclear. El hidrógeno es el elemento más abundante, seguido por el helio. A medida que las estrellas envejecen, fusionan hidrógeno en helio, y luego helio en carbono. El carbono puede fusionarse para crear nitrógeno y oxígeno a través del ciclo CNO.
Medio Interestelar (ISM): El espacio entre las estrellas está lleno de un medio interestelar que contiene gas y polvo. El gas es principalmente hidrógeno y helio, con pequeñas cantidades de carbono, oxígeno y nitrógeno. Se han detectado moléculas que contienen estos elementos, como monóxido de carbono, formaldehído, alcohol y agua, en el ISM.
Planetas: Los planetas pueden tener atmósferas que contienen estos elementos. Por ejemplo, las atmósferas de Júpiter y Saturno están compuestas principalmente de hidrógeno y helio, mientras que Venus y Marte tienen atmósferas dominadas por dióxido de carbono. Se han encontrado exoplanetas con atmósferas que contienen hidrógeno, carbono, oxígeno, sodio, dióxido de carbono, metano y vapor de agua.
Nubes Moleculares: Estas son regiones en el espacio donde el gas y el polvo son lo suficientemente densos como para formar moléculas. Contienen moléculas como monóxido de carbono, que los astrónomos utilizan para estudiar estas nubes.
Nubes de Polvo Cósmico: Las nubes de polvo cósmico contienen principalmente hidrógeno y helio, con una pequeña mezcla de elementos más pesados.
Estos elementos son los bloques de construcción fundamentales del universo y son esenciales para la formación de estrellas, planetas y vida terrestre.
Presencia de calcio y potasio en la naturaleza:
Calcio
Sistemas Biológicos:
Animales:
Los huesos y los dientes son los principales reservorios de calcio. También es crucial para la contracción muscular, la función nerviosa, la coagulación de la sangre y varios procesos celulares. Los iones de calcio son esenciales para las vías de transducción de señales.
Plantas:
Involucrado en la división celular, la estructura de la pared celular y el metabolismo del nitrógeno.
Componentes Naturales No Biológicos (Tierra):
Minerales:
Abundante en piedra caliza (carbonato de calcio), yeso (sulfato de calcio), fluorita (fluoruro de calcio) y apatita (cloro o fluoro-fosfato de calcio).
Rocas:
Encontrado en mármol, tiza, dolomita y travertino.
Agua:
Presente en agua de mar y agua dura como bicarbonato de calcio disuelto.
El Universo:
Estrellas:
Formado durante explosiones de supernovas. Se cree que la mitad del calcio en el universo proviene de estos eventos.
Espacio Interestelar:
Disperso a través del espacio interestelar por explosiones de supernovas.
Galaxias:
Encontrado en cúmulos de galaxias.
Abundancia y presencia del potasio:
Universo: El potasio representa el 0.0003% de la abundancia en el universo.
Corteza terrestre: Es el séptimo elemento más abundante en la corteza terrestre, representando aproximadamente el 2.6% de su peso.
Océanos: Se estima que es el séptimo elemento más abundante en los océanos, con una concentración aproximada de 387 partes por millón.
Suelo: El contenido de potasio en el suelo varía del 0.3% al 3.6%, generalmente entre el 1% y el 2%.
Minerales: El potasio está presente en minerales como el feldespato potásico, la lutita y la mica. El feldespato es la roca más abundante que constituye aproximadamente el 60% de la corteza terrestre.
Seres vivos: Es un elemento esencial para los seres vivos, porque interviene en varios procesos biológicos.
Fuentes naturales de potasio:
Alimentos: El potasio se encuentra en diversos alimentos, incluyendo:
Verduras de hoja verde (espinacas, col rizada).
Frutas (naranjas, uvas, plátanos, aguacates, melones).
Vegetales de raíz o tubérculos (zanahorias, papas).
Legumbres (frijoles, lentejas).
Frutos secos (nueces, pasas)
Carnes (pavo, vacuno).
Pescados (salmón, atún).
Productos lácteos (leche, yogur).
Fertilizantes: El potasio se utiliza comúnmente en fertilizantes y enmiendas del suelo para mejorar la calidad y la fertilidad de los cultivos.
Depósitos de potasa: Minerales y depósitos de potasa (K2CO3) se extraen principalmente en países como Canadá, Rusia, Bielorrusia, Alemania y China.
Ciclo del carbono
El ciclo del carbono es un proceso natural en el que los átomos de carbono se mueven continuamente entre la atmósfera de la Tierra, los océanos, la tierra y los organismos vivos. Este ciclo es fundamental para mantener la vida en la Tierra, porque el carbono es un elemento clave en todos los seres vivos y es un componente importante de diversos compuestos orgánicos, rocas y la atmósfera.
El ciclo del carbono se puede dividir en varias etapas:
Entrada de Carbono en la Atmósfera:
Respiración: Plantas, animales y microorganismos liberan dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera a través de la respiración.
Descomposición: Los descomponedores descomponen organismos muertos y desechos, liberando carbono de nuevo a la atmósfera.
Combustión: La quema de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) y biomasa libera grandes cantidades de carbono almacenado en la atmósfera como CO2.
Actividad Volcánica: Los volcanes liberan CO2 desde el manto terrestre a la atmósfera.
Meteorización: La meteorización de las rocas puede liberar carbono a la atmósfera.
Absorción de Dióxido de Carbono:
Fotosíntesis: Las plantas, algas y algunas bacterias absorben CO2 de la atmósfera y lo utilizan para crear energía y crecer a través de la fotosíntesis, almacenando carbono en su biomasa.
Absorción Oceánica: Los océanos absorben CO2 de la atmósfera.
Movimiento del Carbono a Través de la Cadena Alimentaria:
Consumo: Cuando los animales comen plantas u otros animales, obtienen compuestos de carbono. Este carbono se mueve a través de la cadena alimentaria a medida que un organismo consume a otro.
Retorno del Carbono al Medio Ambiente:
Descomposición: Cuando las plantas y animales mueren, sus restos son descompuestos por descomponedores (bacterias y hongos), que liberan carbono de nuevo a la atmósfera y al suelo.
Respiración: Los organismos vivos liberan dióxido de carbono a la atmósfera a través de la respiración.
Fosilización: Con el paso de millones de años, parte de la materia orgánica muerta puede ser enterrada y transformada en combustibles fósiles, almacenando carbono bajo tierra.
Sedimentación: El carbono en el océano puede incorporarse en las conchas de organismos marinos. Cuando estos organismos mueren, sus conchas se hunden hasta el fondo y forman rocas sedimentarias, almacenando carbono durante períodos prolongados.
Además, el ciclo del carbono se divide en dos partes: el ciclo rápido y el ciclo lento. El ciclo rápido implica el movimiento relativamente rápido de carbono entre los organismos vivos y la atmósfera, mientras que el ciclo lento implica el almacenamiento a largo plazo de carbono en rocas, sedimentos y combustibles fósiles, con el carbono moviéndose entre estos depósitos a lo largo de miles a millones de años.
Es importante tener en cuenta que las actividades humanas, como la quema de combustibles fósiles y la deforestación, han aumentado significativamente la concentración de CO2 en la atmósfera, lo que contribuye al cambio climático, aumentando las temperaturas globales y alterando los ecosistemas.
El ciclo de Calvin, también conocido como la fase independiente de la luz de la fotosíntesis, es el proceso mediante el cual las plantas y otros organismos fotosintéticos convierten el dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera en glucosa y otros azúcares. Aunque se le llama "ciclo oscuro" o "reacciones oscuras" puede ser un nombre engañoso, porque no ocurre solo en la oscuridad; simplemente no requiere luz directamente para funcionar, pero sí se activa por productos de la reacción dependiente de la luz. Ocurre en el estroma del cloroplasto.
Aquí te explico el ciclo paso a paso, dividido en tres fases principales:
Fijación del Carbono: Seis moléculas de una enzima llamada RuBisCO (ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa-oxigenasa) catalizan la fijación de seis moléculas de CO2, una a la vez, a seis moléculas de un azúcar de cinco carbonos llamado Ru1,5BP (ribulosa-1,5-bisfosfato). Este proceso crea un intermediario inestable de seis carbonos que se descompone rápidamente en doce moléculas de tres carbonos llamadas 3-fosfoglicerato (3-PG).
Reducción: Las doce moléculas de 3-PG se convierten en doce moléculas de gliceraldehído-3-fosfato (G3P) utilizando energía del ATP y NADPH producidos durante la fase dependiente de la luz de la fotosíntesis. Dos de estas moléculas de G3P se utilizan para sintetizar glucosa (u otros azúcares) a través de la gluconeogénesis. Es importante aclarar que aunque a menudo se representa el producto de la fotosíntesis como C6H12O6 (glucosa), el producto directo del ciclo de Calvin son las moléculas de tres carbonos de G3P.
Regeneración: Las diez moléculas de G3P restantes se utilizan para regenerar las seis moléculas originales de Ru1,5BP, lo que permite que el ciclo continúe. Este proceso también requiere ATP.
En resumen, el ciclo de Calvin utiliza la energía capturada en la fase dependiente de la luz para convertir el CO2 en azúcares. Este proceso es esencial para la vida en la Tierra, porque proporciona la base de la cadena alimentaria.
Ciclo del nitrógeno:
El ciclo de la urea es un proceso metabólico crucial que convierte el amoníaco tóxico, un subproducto del metabolismo de los aminoácidos, en urea, una sustancia mucho menos tóxica que puede ser excretada por la orina. Este ciclo ocurre principalmente en el hígado. Aquí te explico los pasos principales:
Formación de carbamoil fosfato: El amoníaco (NH3) y el bicarbonato (HCO3-) reaccionan en la mitocondria para formar carbamoil fosfato. Esta reacción consume dos moléculas de ATP y es catalizada por la carbamoil fosfato sintetasa I.
Formación de citrulina: El carbamoil fosfato se combina con la ornitina para formar citrulina. Esta reacción ocurre en la mitocondria y libera un fosfato inorgánico (Pi). La citrulina luego se transporta al citosol.
Formación de argininosuccinato: La citrulina reacciona con el aspartato para formar argininosuccinato. Esta reacción consume ATP y es catalizada por la argininosuccinato sintetasa.
Formación de arginina y fumarato: El argininosuccinato se divide en arginina y fumarato por la enzima argininosuccinato liasa. El fumarato puede entrar al ciclo del ácido cítrico.
Formación de urea y ornitina: La arginina se hidroliza para formar urea y ornitina. Esta reacción es catalizada por la arginasa. La ornitina regresa a la mitocondria para iniciar otro ciclo.
En resumen, el ciclo de la urea convierte dos moléculas de amoníaco y una de bicarbonato en una molécula de urea. Este proceso requiere energía en forma de ATP. Además, la conexión del ciclo de la urea con el ciclo del ácido cítrico a través del fumarato ayuda a la eficiencia energética global.
Tomemos como ejemplo un ecosistema forestal para ilustrar el ciclo de la urea (que es una parte fundamental del ciclo del nitrógeno) dentro de una cadena trófica.
1. Producción de urea: Un ciervo, como herbívoro primario, consume plantas que contienen proteínas. Al digerir estas proteínas, el ciervo produce amoníaco (NH3), un compuesto tóxico. Para eliminar este amoníaco, el hígado del ciervo lo convierte en urea, un compuesto mucho menos tóxico, a través del ciclo de la urea.
2. Excreción de urea: El ciervo excreta la urea en su orina, depositándola en el suelo del bosque.
3. Descomposición de la urea: En el suelo, microorganismos como bacterias y hongos descomponen la urea. Estos microorganismos poseen enzimas llamadas ureasas que hidrolizan la urea, liberando amoníaco al suelo.
4. Nitrificación: El amoníaco liberado por la descomposición de la urea es convertido por otras bacterias del suelo en nitritos (NO2-) y luego en nitratos (NO3-), un proceso llamado nitrificación. Las plantas pueden absorber estos nitratos del suelo a través de sus raíces.
5. Asimilación por las plantas: Las plantas utilizan los nitratos absorbidos del suelo para sintetizar sus propias proteínas y otros compuestos nitrogenados. De esta manera, el nitrógeno regresa a la cadena trófica.
6. El ciclo continúa: Cuando el ciervo u otro herbívoro consume estas plantas, el nitrógeno en forma de proteínas vuelve a entrar en su organismo, y el ciclo de la urea se repite. Si un depredador, como un lobo, se come al ciervo, también obtendrá nitrógeno de las proteínas del ciervo. Cuando el lobo muere, los descomponedores liberan el nitrógeno de sus tejidos de vuelta al suelo, continuando el ciclo.
Sí, el orine del lobo del ejemplo también libera urea. Al igual que el ciervo, el lobo es un mamífero y también utiliza el ciclo de la urea para eliminar el amoníaco tóxico producido por el metabolismo de las proteínas.
Recuerda que el ciclo de la urea convierte el amoníaco en urea, que es menos tóxica y puede ser excretada en la orina. Tanto los herbívoros como los carnívoros, incluyendo al lobo de nuestro ejemplo, realizan este proceso. Por lo tanto, la orina del lobo contendrá urea, que luego se descompondrá en el suelo por los microorganismos, liberando amoníaco para la nitrificación y la posterior absorción por las plantas.
Es importante tener en cuenta que algunos organismos, como las aves y algunos reptiles, excretan ácido úrico en lugar de urea. Sin embargo, en el caso de los mamíferos como el ciervo y el lobo, la urea es el principal producto de desecho nitrogenado.
Este ejemplo muestra cómo el ciclo de la urea es crucial para el reciclaje del nitrógeno en el ecosistema forestal. Permite la eliminación segura del amoníaco tóxico en los animales y la conversión del nitrógeno en formas que las plantas pueden utilizar para su crecimiento.
En caso del ácido úrico:
Excreción de Nitrógeno: Los animales necesitan eliminar el exceso de nitrógeno proveniente de la descomposición de proteínas y ácidos nucleicos. Este nitrógeno inicialmente se encuentra en forma de amoníaco, una sustancia tóxica. Para deshacerse de él, los animales terrestres convierten el amoníaco en compuestos menos tóxicos como la urea o el ácido úrico.
Productores de Ácido Úrico: Las aves, reptiles y la mayoría de los artrópodos terrestres convierten el amoníaco en ácido úrico. Esto se debe a que el ácido úrico es relativamente insoluble y puede ser excretado como una pasta semisólida, lo que ayuda a conservar agua. Los mamíferos también producen algo de ácido úrico durante la descomposición de ácidos nucleicos.
Conversión y Reciclaje: Algunos organismos y microbios simbióticos pueden reciclar el nitrógeno del ácido úrico. Por ejemplo, algunos insectos almacenan ácido úrico como reserva de nitrógeno. Estos organismos pueden carecer de enzimas para descomponer el ácido úrico por sí mismos, dependiendo de bacterias simbióticas para convertirlo en amoníaco. El amoníaco luego puede ser utilizado para sintetizar aminoácidos y otros compuestos esenciales.
Degradación del Ácido Úrico: El ácido úrico puede convertirse en alantoína, y luego en glicolato y urea. La urea luego se descompone en amoníaco y dióxido de carbono.
Este proceso es fundamental en el ciclo del nitrógeno, ayudando a
los organismos a eliminar el exceso de nitrógeno de manera segura y
eficiente.
Reacciones químicas en bioquímica:
Catálisis:
Definición: La catálisis es la aceleración de una reacción química por una sustancia (un catalizador) que no se consume o altera permanentemente en la reacción general.
Cómo funciona: Los catalizadores proporcionan una vía de reacción alternativa con una energía de activación más baja. Pueden formar intermediarios con los reactivos, pero se regeneran en el proceso.
Enzimas: Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores biológicos, acelerando las reacciones bioquímicas en las células. Sin enzimas, muchas reacciones bioquímicas serían demasiado lentas para mantener la vida.
Tipos de catálisis:
Catálisis homogénea: Los reactivos y el catalizador están en la misma fase (por ejemplo, todos en una solución líquida).
Catálisis heterogénea: El catalizador está en una fase diferente a los reactivos (por ejemplo, un catalizador sólido con reactivos líquidos o gaseosos).
Catálisis enzimática: Las enzimas catalizan las reacciones.
Importancia: La catálisis es crucial para la vida y se utiliza en la producción de la mayoría de los productos químicos industrialmente importantes.
Hidrólisis:
Definición: La hidrólisis es una reacción química donde una molécula de agua rompe uno o más enlaces químicos en una sustancia, causando que se divida en dos o más partes. Esencialmente, el agua se usa para descomponer un compuesto químico.
Mecanismo: Una molécula de agua se agrega a la sustancia. Un fragmento recibe un ion de hidrógeno (H+) y el otro recibe un grupo hidroxilo (OH-).
Ejemplos:
Descomposición de polímeros en monómeros.
Digestión: Las enzimas llamadas proteasas catalizan la hidrólisis de los enlaces peptídicos en las proteínas.
Hidrólisis de ATP: La hidrólisis de ATP (adenosina trifosfato) libera energía para las actividades celulares.
Saponificación: La hidrólisis de una grasa con una base como el hidróxido de sodio para hacer jabón.
Tipos de hidrólisis:
Sales: Interacción entre cationes o aniones de sales y agua.
Ácido y base: Hidrólisis catalizada por ácido-base, común en ésteres o amidas.
Hidrólisis enzimática: Las enzimas facilitan la escisión de enlaces con la adición de agua.
Otras variables y procesos químicos relacionados en bioquímica/química orgánica:
Variables bioquímicas: Mediciones de sustancias en el cuerpo (por ejemplo, colesterol, glucosa, hormonas) que son esenciales para comprender las condiciones de salud.
Metabolismo: Las reacciones químicas complejas dentro de los organismos vivos que convierten los alimentos en energía y bloques de construcción. Incluye anabolismo (síntesis de moléculas complejas) y catabolismo (descomposición de moléculas complejas).
Actividad enzimática: Las enzimas catalizan casi todas las reacciones químicas en las células.
Reacciones redox (oxidación-reducción): Reacciones químicas que implican la transferencia de electrones. La oxidación es la pérdida de electrones y la reducción es la ganancia de electrones.
Reacciones ácido-base: Implican la transferencia de protones (iones H+). El pH es una medida de la acidez o alcalinidad.
Esterificación: Reacción entre un alcohol y un ácido carboxílico para formar un éster y agua.
Saponificación: La hidrólisis alcalina de una grasa o aceite para producir jabón y glicerol.
Reacciones de condensación: Reacciones donde dos moléculas se unen, eliminando una molécula pequeña como el agua. La hidrólisis es lo contrario a la condensación.
Polimerización: El proceso de combinación de monómeros para formar polímeros.
Isomerización: La conversión de una molécula en su isómero (un compuesto con la misma fórmula química pero una estructura diferente).
Factores que afectan la velocidad de reacción: temperatura, concentración, pH.
Tipos de variables en experimentos:
Variable independiente: La variable que se cambia o controla en un experimento científico.
Variable dependiente: La variable que se está probando y midiendo en un experimento científico.
Variables controladas: Cantidades que un científico quiere que permanezcan constantes.
Los radicales libres son una parte importante de la bioquímica y la química orgánica, puesto que desempeñan un papel clave en varios procesos biológicos y químicos:
Estrés oxidativo: Los radicales libres, como especies reactivas de oxígeno, pueden causar daño oxidativo a las células, incluyendo a lípidos, proteínas y ADN. Este estrés oxidativo se ha relacionado con el inicio y progresión de enfermedades como el cáncer.
Función inmunológica: Dentro de los fagocitos, los radicales libres ayudan a atacar y destruir agentes patógenos. Sin embargo, en exceso, también pueden dañar células sanas.
Señalización celular: Algunas especies reactivas de oxígeno actúan como moléculas de señalización, regulando procesos celulares como la proliferación, diferenciación y apoptosis.
Metabolismo: El ejercicio intenso puede aumentar la producción de radicales libres. Algunos estudios sugieren que ejercicios como el Tai Chi pueden mejorar el metabolismo de aminoácidos, energía y neurotransmisores, posiblemente a través de una reducción de la inflamación y el estrés oxidativo.
Es importante mantener un equilibrio entre la producción de radicales libres y los sistemas antioxidantes del cuerpo. Los antioxidantes, como algunas vitaminas, pueden ayudar a contrarrestar los efectos dañinos de los radicales libres. Sin embargo, la evidencia sobre el uso de suplementos antioxidantes aún es limitada.
La oxidación es un proceso químico fundamental que implica la pérdida de electrones por parte de una molécula o átomo. En el contexto de la salud y el bienestar, la oxidación está relacionada con la formación de especies reactivas de oxígeno, como los radicales libres.
Los radicales libres son moléculas o átomos que tienen uno o más electrones desapareados, lo que los hace altamente reactivos. Estas especies reactivas de oxígeno pueden reaccionar con diferentes biomoléculas como lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, causando daños a nivel celular.
Algunas estrategias que pueden ayudar a reducir el estrés oxidativo incluyen una dieta rica en antioxidantes, la práctica de ejercicio moderado y el uso de suplementos con nutrientes antioxidantes como el selenio.
Por otro lado, los electrolitos son sustancias químicas que se disocian en iones cargados eléctricamente cuando se disuelven en agua.
Un ion es una partícula cargada eléctricamente, que se forma cuando un átomo pierde o gana uno o más electrones. Los principales electrolitos presentes en el cuerpo humano son:
Sodio (Na+): Es el principal electrolito extracelular y regula el equilibrio de líquidos y la presión osmótica.
Potasio (K+): Es el principal electrolito intracelular y es esencial para la actividad muscular y nerviosa.
Cloruro (Cl-): Mantiene el equilibrio ácido-base y la presión osmótica.
Calcio (Ca2+): Necesario para la coagulación sanguínea, la contracción muscular y la transmisión nerviosa.
Magnesio (Mg2+): Participa en múltiples reacciones enzimáticas, incluyendo la producción de energía.
El cuerpo humano obtiene estos electrolitos principalmente a través de la dieta, al consumir alimentos y bebidas que los contienen. Además, el cuerpo puede regular los niveles de electrolitos mediante procesos fisiológicos como la absorción intestinal y la excreción renal.
Por otro lado, el cuerpo pierde electrolitos principalmente a través del sudor, la orina y las heces. Durante el ejercicio intenso o en condiciones de calor, las pérdidas de electrolitos como el sodio y el potasio pueden ser significativas y requerir una reposición adecuada para mantener el equilibrio electrolítico.
Es importante mantener un balance adecuado de electrolitos, porque cualquier alteración en sus niveles puede afectar el rendimiento físico y la salud en general.
Los electrolitos juegan un papel fundamental en múltiples funciones fisiológicas como la regulación del equilibrio hídrico, el control del pH sanguíneo, la transmisión de impulsos nerviosos y la contracción muscular. Por lo tanto, es importante mantener un adecuado balance de electrolitos, especialmente en situaciones de pérdida excesiva por sudoración, como en el ejercicio físico intenso.
La principal diferencia entre los compuestos químicos aptos para los organismos biológicos y los que no, radica en la composición y estructura de las moléculas. Los compuestos orgánicos, es decir, aquellos que contienen enlaces covalentes carbono-carbono o carbono-hidrógeno, son los que pueden ser metabolizados y utilizados por los seres vivos.
Esto se debe a que el carbono es el elemento central en la química de los organismos, formando la base de las biomoléculas esenciales como carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Estas moléculas orgánicas pueden ser sintetizadas, degradadas y transformadas por las rutas metabólicas de los seres vivos.
En contraste, los compuestos inorgánicos, como sales minerales o gases, no pueden ser directamente asimilados y utilizados por diversos organismos. Estos compuestos carecen de la estructura y funcionalidad necesaria para ser integrados en los procesos biológicos de muchas especies.
Por ejemplo, el dióxido de carbono (CO2) es un compuesto inorgánico que puede ser utilizado por organismos fotosintéticos como las plantas, pero no puede ser directamente metabolizado por animales. En cambio, la glucosa (C6H12O6), un carbohidrato orgánico, es una molécula clave en el metabolismo energético de los seres vivos.
Sí, algunas plantas pueden metabolizar compuestos inorgánicos, mientras que la mayoría de los otros organismos no pueden. Las plantas, como organismos autótrofos, tienen un metabolismo secundario que les permite producir y acumular diversos compuestos químicos.
Un ejemplo de sodio orgánico es el acetato de sodio (CH3COONa), una sal orgánica que se utiliza como conservante alimentario. Los compuestos de organosodio contienen un enlace covalente carbono-sodio.
El ejemplo más común de sodio inorgánico es el cloruro de sodio (NaCl), o sal de mesa. Otros compuestos inorgánicos de sodio son el hidróxido de sodio (NaOH) y el bicarbonato de sodio (NaHCO3).
La sal de mesa es un compuesto inorgánico que efectivamente forma parte de la dieta y es asimilado y utilizado por el organismo. Esto se debe a que, aunque es un compuesto inorgánico, el sodio y el cloro que lo componen son elementos esenciales para el funcionamiento del cuerpo.
Cuando la sal se disuelve en los líquidos corporales, como la sangre y los fluidos intracelulares, se disocia en iones de sodio (Na+) y iones de cloro (Cl-). Estos iones cumplen funciones vitales en el organismo:
El sodio es un electrolito clave que participa en el mantenimiento del equilibrio hídrico y electrolítico, la transmisión de impulsos nerviosos y la contracción muscular.
El cloro también es un electrolito importante, que junto con el sodio, regula el balance ácido-base y la presión osmótica de los fluidos corporales.
Además, el sodio forma parte de compuestos orgánicos como fosfolípidos y algunas proteínas, lo que le permite integrarse en los procesos metabólicos.
Por lo tanto, a pesar de ser un compuesto inorgánico, el cloruro de sodio (sal de mesa) es esencial para el organismo y puede ser asimilado y utilizado a través de su disociación en iones de sodio y cloro, los cuales cumplen funciones vitales.
Aquí hay algunos ejemplos de moléculas orgánicas que contienen calcio y potasio, con sus fórmulas químicas:
Calcio:
Pectato de calcio: (C6H10O7)nCa Es una sal de calcio del ácido péctico, un componente estructural importante de las paredes celulares de las plantas.
Gluconato de calcio: C12H22CaO14 Es una sal de calcio del ácido glucónico, utilizada como suplemento mineral y para tratar la deficiencia de calcio.
Lactato de calcio: C6H10CaO6 Es una sal de calcio del ácido láctico, utilizada como aditivo alimentario y suplemento de calcio.
Citrato de calcio: Ca3(C6H5O7)2 Es una sal de calcio del ácido cítrico, utilizada como suplemento de calcio.
Potasio:
Acetato de potasio: CH3COOK Es una sal de potasio del ácido acético, utilizada como descongelante, aditivo alimentario y en fluidos de perforación.
Citrato de potasio: K3C6H5O7 Es una sal de potasio del ácido cítrico, utilizada para controlar el ácido úrico o los cálculos de cistina en el riñón.
Tartrato de potasio y sodio (sal de Rochelle): KNaC4H4O6·4H2O Es una sal doble de potasio y sodio del ácido tartárico, utilizada como laxante, en el proceso de plateado de espejos y en electrónica.
Benzoato de potasio: C7H5KO2 Es una sal de potasio del ácido benzoico, utilizada como conservante alimentario.
Es importante tener en cuenta que estas son solo algunos ejemplos, y existen muchas otras moléculas orgánicas que pueden contener calcio o potasio. La presencia de estos elementos en moléculas orgánicas les confiere propiedades y funciones específicas en diversos procesos biológicos y químicos.
El hierro que se encuentra en una barra de hierro metálico no es la forma química que se utiliza en la dieta humana. Esto se debe a que el hierro en su forma metálica no es fácilmente absorbible y utilizable por el organismo.
En cambio, el hierro que se emplea en la dieta y en los suplementos alimenticios se encuentra en formas químicas más biodisponibles, como:
Sulfato ferroso (FeSO4): Es una de las formas más comunes de hierro en suplementos y alimentos fortificados. Proporciona hierro en estado ferroso (Fe2+), que es más fácilmente absorbible por el organismo.
Fumarato ferroso (C4H2FeO4): Otra forma de hierro utilizada en suplementos y alimentos fortificados. Al igual que el sulfato ferroso, el hierro se encuentra en estado ferroso y es mejor absorbido.
Hierro hemo: Este es el hierro que se encuentra naturalmente en alimentos de origen animal, como carnes, aves y mariscos. El hierro hemo se absorbe mejor que el hierro no hemo de los vegetales.
Estas formas químicas de hierro pueden ser metabolizadas y utilizadas por el organismo en diversos procesos, como la formación de hemoglobina y mioglobina, el transporte de oxígeno y la producción de energía. Por lo tanto, el hierro en estas formas químicas es el que se emplea en la dieta humana, y no el hierro metálico de una barra.
Por otro lado, la asimilación y utilidad de un compuesto químico por parte de los organismos biológicos no depende únicamente de si es orgánico o inorgánico, sino de otros factores más específicos.
Los compuestos inorgánicos como el agua (H2O) y el cloruro de sodio (sal) sí pueden ser asimilados y utilizados por el organismo, porque contienen elementos esenciales como el sodio, el cloro y el hidrógeno que cumplen funciones vitales.
Por ejemplo, en el caso de la gelatina es diferente. Si bien la gelatina contiene proteínas, éstas no son fácilmente asimilables por el cuerpo humano. Esto se debe a que la gelatina proviene del colágeno, una proteína estructural que no se encuentra en una forma química biodisponible para ser metabolizada directamente por los humanos.
La capacidad de asimilación y utilidad de un compuesto químico depende más de su estructura, composición y biodisponibilidad, que de si es orgánico o inorgánico per se. Factores como la solubilidad, la digestibilidad y la integración en las rutas metabólicas son determinantes para que un compuesto pueda ser aprovechado por el organismo.
La biodisponibilidad es un factor clave a considerar en la asimilación y aprovechamiento de los compuestos químicos por parte de los organismos biológicos. Así, la biodisponibilidad es el factor principal en nutrición, independientemente de si el compuesto es orgánico o inorgánico. Lo importante es que pueda ser absorbido, metabolizado y utilizado por el cuerpo de manera eficiente para mantener la salud y el bienestar.
La biodisponibilidad de los compuestos químicos depende en gran medida de los procesos químicos que ocurren dentro de los organismos. Cada especie biológica puede tener rutas metabólicas y mecanismos de absorción y utilización de nutrientes y compuestos químicos diferentes.
La intolerancia a la lactosa es un buen ejemplo de cómo la biodisponibilidad de un compuesto químico puede variar entre individuos de la misma especie, en este caso los seres humanos.
La intolerancia a la lactosa se produce por una deficiencia en la enzima lactasa, la cual es necesaria para digerir el azúcar de la leche (lactosa). Sin suficiente lactasa, la lactosa no se descompone adecuadamente y no puede ser absorbida de manera eficiente por el organismo.
Existen diferentes tipos de intolerancia a la lactosa:
Intolerancia primaria o congénita: Es la forma más común, donde los niveles de lactasa disminuyen drásticamente en la edad adulta, dificultando la digestión de productos lácteos.
Intolerancia secundaria: Ocurre cuando una enfermedad, lesión o cirugía en el intestino delgado reduce la producción de lactasa. Esto puede estar asociado a enfermedades como la enfermedad celíaca o de Crohn.
Intolerancia congénita del desarrollo: Poco frecuente, donde los bebés nacen con deficiencia de lactasa por causas genéticas.
Estos diferentes tipos de intolerancia a la lactosa demuestran que la biodisponibilidad de un mismo compuesto químico (la lactosa) puede variar significativamente entre individuos, incluso dentro de la misma especie. Esto se debe a factores como la producción de enzimas relacionada con la integridad del sistema digestivo y la predisposición genética.
Por lo tanto, la intolerancia a la lactosa es un buen ejemplo de cómo la biodisponibilidad de un compuesto químico puede depender de las características y procesos bioquímicos específicos de cada organismo, incluso dentro de una misma especie.
Todos los principales compuestos biodisponibles se encuentran en la naturaleza de forma natural y no son necesariamente el producto de trabajos o experimentos complejos en laboratorios.
Para comprender las reacciones básicas de los organismos biológicos, es fundamental tener un conocimiento sólido de química. La bioquímica, que es la disciplina que estudia las reacciones químicas en los seres vivos, se basa en gran medida en los principios de la química orgánica y la química general.
Los organismos vivos están compuestos principalmente por moléculas orgánicas que contienen carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre. Entender la estructura, propiedades y reactividad de estos compuestos orgánicos es crucial para comprender los procesos metabólicos que ocurren en las células, como la digestión, la fotosíntesis y la inmunidad.
Además, conceptos clave de la química como catálisis, hidrólisis, reacciones redox, ácido-base y cinética química, son fundamentales para explicar los mecanismos de las reacciones bioquímicas. Por ejemplo, las enzimas son catalizadores biológicos que aceleran las reacciones metabólicas, y el pH y la temperatura afectan significativamente la actividad enzimática.
Por lo tanto, una sólida base en química, especialmente en química orgánica y bioquímica, es esencial para comprender en profundidad las reacciones básicas que ocurren en los organismos biológicos. Sin este conocimiento, sería muy difícil explicar y predecir los procesos vitales que sustentan la vida.