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Sales Minerales y Disoluciones: Propiedades, Funciones y Glúcidos en Biología

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SALES MINERALES

Sales minerales: son moléculas inorgánicas que tienen fácil ionización en agua. Se pueden encontrar:

  • a) Las sustancias precipitadas: constituyen estructuras sólidas, insolubles, con función esquelética. En vegetales forman los cristales del citoplasma.
  • b) Sales disueltas: dan lugar a aniones y cationes. Los cationes (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) y aniones (Cl-, SO4 2-). Estos iones mantienen un grado de salinidad constante dentro del organismo. Si varía, se producen fenómenos osmóticos que regulan la entrada y salida de agua.

Funciones de las sales disueltas:

  • Llevan a cabo el mantenimiento de la neutralidad de las células.
  • Actúan como soluciones reguladoras del pH (EFECTO TAMPÓN), llevado a cabo por sales disociadas.
  • Por otro lado, cada ion desempeña funciones específicas (impulso nervioso y contracción muscular) y, a veces, antagónicas. El Ca2+ (aumenta la turgencia celular) y el K+ (disminuye la turgencia) son iones antagónicos.
  • El medio interno de los organismos presenta unas concentraciones iónicas constantes. Una variación provoca alteraciones de la permeabilidad, excitabilidad y contractilidad de las células.

Sustancia ácida: aquella que se disocia y cede protones al medio (AH ⇌ A- + H+).
Sustancia básica: aquella que se disocia y cede OH- al medio (BOH ⇌ B+ + OH-). También aquella que capta protones del medio.

c) Las sales asociadas a moléculas orgánicas suelen encontrarse junto a proteínas (fosfoproteínas), junto a lípidos (fosfolípidos) y junto a glúcidos (agar-agar).

FUNCIONES DE LAS SALES MINERALES:

  • Forman estructuras esqueléticas.
  • Estabilizar dispersiones coloidales.
  • Mantener un grado de salinidad en el medio interno.
  • Constituir soluciones amortiguadoras.
  • Acciones específicas: por ejemplo, el Fe2+ interviene en la síntesis de la hemoglobina.

DISOLUCIONES Y DISPERSIONES VERDADERAS

Dispersión: mezcla homogénea de moléculas. Están constituidas por:

  • Fase dispersante = H2O = disolvente.
  • Moléculas dispersas = soluto.

Cuando el soluto son moléculas de alto peso molecular se denominan coloides (almidón). Cuando el soluto son moléculas de bajo peso molecular (ClNa, glucosa) se denominan DISOLUCIONES VERDADERAS o simplemente DISOLUCIONES. Por tanto, las disoluciones de soluto de bajo peso molecular se llaman DISOLUCIONES VERDADERAS, y las de alto peso molecular, DISPERSIONES COLOIDALES.

PROPIEDADES DE LAS DISOLUCIONES VERDADERAS

  • a) Difusión: repartición homogénea de fluidos (gas o líquido) en el seno de otro al ponerlos en contacto. Este proceso se debe al continuo movimiento de las partículas que los componen.
  • b) Ósmosis: es el paso del disolvente entre dos disoluciones de distinta concentración a través de una membrana semipermeable (que impide el paso del soluto). El agua se mueve de donde hay menos concentración a donde hay más concentración. En esta propiedad se llevan a cabo procesos osmóticos, un conjunto de procesos biológicos dependientes de la concentración de solutos en agua.

Presión osmótica: presión mecánica necesaria para contrarrestar el paso de agua. Al paso de moléculas de agua siempre se da de la menos concentrada a la más concentrada.

  • Si el medio es isotónico respecto al interno, es decir, tiene la misma concentración, la célula no se deforma.
  • Si el medio externo es hipotónico (menos concentrado), la célula se hinchará por el paso de agua a su interior. Este fenómeno se llama TURGENCIA.
  • Si el medio externo es hipertónico (más concentrado), la célula perderá agua y se arrugará, dándose el fenómeno de PLASMÓLISIS, que acaba con la rotura de la membrana.

c) Estabilidad del grado de acidez o pH: el pH se define como el logaritmo decimal cambiado de signo de la concentración de iones hidronio: pH = -log [H3O+]. El pOH es el grado de basicidad de la disolución: pOH = -log [OH-]. Los valores del pH oscilan entre 0 y 14. Según superen o no el valor de 7, se distinguen los siguientes tipos de disoluciones:

  • Cuando pH < 7 el medio es ácido.
  • Cuando pH > 7 el medio es básico.
  • Cuando pH = 7 el medio es neutro.

Todos los seres vivos mantienen constante el pH de su medio interno mediante las sales minerales disueltas, que constituyen las disoluciones tampón.

DISOLUCIONES TAMPÓN (SISTEMAS BUFFER o AMORTIGUADORES)

Son ácidos y bases débiles cuyo poder amortiguador reside en el equilibrio entre el estado disociado y el no disociado. Ejemplos:

  • Sistema tampón fosfato: (H2O + H2PO4- ⇌ HPO4 2- + H3O+). Mantiene el equilibrio del pH en el medio intracelular.
  • Sistema tampón bicarbonato: (CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ HCO3- + H+). Mantiene constante el pH extracelular.

PROPIEDADES DE LAS DISPERSIONES COLOIDALES

  • a) Capacidad de presentar estado gel: las dispersiones coloidales pueden presentarse en dos estados: en forma de sol (estado líquido) y en forma de gel (semisólido). El sol se produce cuando la fase dispersa es un sólido y la fase dispersante un líquido. El gel se produce cuando la fase dispersa es un líquido y la fase dispersante es un conjunto de fibras entrelazadas donde queda atrapada el agua. Tiene aspecto gelatinoso. Presenta estado de gel el citosol que se halla en la periferia de la célula (ectoplasma), mientras que el citosol interior (endoplasma) presenta estado de sol.
  • b) Elevada viscosidad: la viscosidad es la resistencia interna que presenta un líquido al movimiento relativo de sus moléculas. Las dispersiones son viscosas debido al elevado tamaño de sus moléculas.
  • c) Efecto Tyndall: las dispersiones coloidales, como las disoluciones verdaderas, son transparentes y claras. Pero, si se iluminan lateralmente y sobre fondo oscuro, se observa cierta opalescencia.
  • d) Sedimentación: las dispersiones coloidales son estables, pero si se someten a fuertes campos gravitatorios, se puede conseguir que sedimenten sus partículas.
  • e) Diálisis: es la separación de las partículas dispersas de elevado peso molecular (coloides) de las de bajo peso molecular (cristaloides), gracias a una membrana semipermeable que solo deja pasar las moléculas pequeñas.
  • f) Electroforesis: es el transporte de las partículas coloidales gracias a la acción de un campo eléctrico a través de un gel. Se lleva a cabo, sobre todo, la separación de proteínas debido a su carga (+ o -).

En resumen, las dispersiones coloidales se diferencian de las disoluciones verdaderas en que las partículas de estas últimas no forman geles, su viscosidad es baja, no son adsorbentes, ópticamente vacías y no sedimentan por ultracentrifugación.

LOS GLÚCIDOS

Glúcidos: son biomoléculas orgánicas formadas por C, H y O en una proporción semejante a CnH2nOn (fórmula empírica). Se suelen llamar hidratos de carbono o carbohidratos. Químicamente se caracterizan porque siempre tienen un grupo carbonilo, que puede ser:

  • En un C extremo: aldehído (COH), normalmente en el C1.
  • En C intermedio: cetona (CO), normalmente en el C2.

Así pues, los glúcidos pueden definirse como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas. Los glúcidos pueden llevar incorporados otros grupos (alcohol –OH, amino –NH2, ácido –COOH).

CLASIFICACIÓN DE LOS GLÚCIDOS

Se clasifican según el número de cadenas polihidroxialdehídicas o polihidroxicetónicas que contengan:

  • MONOSACÁRIDOS u OSAS: azúcares sencillos no hidrolizables porque tienen propiedades reductoras. Contienen entre 3 y 7 átomos de C. Se dividen en dos grupos: aldosas y cetosas.
  • ÓSIDOS: formados por la unión de varios monosacáridos. Se dividen en dos grupos:
    • Holósidos: unidades iguales de monosacáridos. Incluyen oligosacáridos (2 a 10 átomos de C; sacarosa = disacárido, rafinosa = trisacárido) y polisacáridos (homopolisacáridos: un solo tipo de monosacárido, como el almidón; heteropolisacáridos: más de un tipo de monosacárido, como la heparina).
    • Heterósidos: formados por glúcidos más una parte no glucídica. Glucolípidos, glucoproteínas y heterósidos cardiotónicos.

MONOSACÁRIDOS

Se nombran añadiendo la terminación -osa al número de carbonos (triosa, tetrosa, etc.).

PROPIEDADES DE LOS MONOSACÁRIDOS

  • Físicas: son sólidos cristalinos de color blanco, hidrosolubles y de sabor dulce. Su solubilidad se debe a que tanto los radicales hidroxilo (-OH) como los radicales hidrógeno (-H) presentan una elevada polaridad.
  • Químicas:
    • Los glúcidos se oxidan frente a sustancias menos oxidantes, es decir, pierden e-.
    • Se reducen frente a sustancias más oxidantes, llegando a pasar del grupo COH al OH.
    • Son capaces de asociarse a grupos amino.
    • El grupo aldehído y cetona les confiere el poder de reducir el líquido de Fehling.
    • En disolución desvían el plano de la luz polarizada.
    • En hidrólisis en medio ácido no se rompe su estructura.

TRIOSAS

Glúcidos formados por 3 átomos de C (C3H6O3). Hay dos triosas: la aldotriosa (grupo aldehído), llamada GLICERALDEHÍDO, y la cetotriosa (cetona), llamada DIHIDROXICETONA. El gliceraldehído tiene un carbono (el 2º) asimétrico, es decir, un C que va a tener sus 4 valencias saturadas por radicales diferentes. Situando arriba el grupo aldehído y fijándonos en el C asimétrico, se pueden distinguir dos ESTEROISÓMEROS = ISÓMEROS ESPECULARES = ENANTIÓMEROS, que son formas simétricas no superponibles en el espacio:

  • –OH del C a la derecha: forma D.
  • –OH del C a la izquierda: forma L.

La presencia de carbonos asimétricos da a estas moléculas la propiedad de actividad óptica. Al incidir sobre ellas un rayo de luz polarizada se produce una desviación del plano:

  • Si lo desvían a la derecha: DEXTRÓGIRO, se simboliza con el signo (+).
  • Si lo desvían a la izquierda: LEVÓGIRO, se simboliza con el signo (-).

Una forma D puede ser levógira o dextrógira, y al revés, ya que no hay relación entre D/L y dextrógiro/levógiro.

  • Isómero óptico: compuestos que teniendo la misma fórmula empírica, en disolución desvían el plano de luz polarizada, unas veces a la derecha (+) y otras a la izquierda (-).
  • Isomería óptica: consecuencia de tener carbonos asimétricos.
  • Isomería de función: tienen la misma fórmula empírica pero poseen distinto grupo funcional.

TETROSAS

Glúcidos formados por 4 átomos de C. Hay dos aldotetrosas, la treosa y la eritrosa, y una cetotetrosa, la eritrulosa. La terminación -ulosa es común en las cetotetrosas y las cetopentosas. En las aldotetrosas hay 2 C asimétricos. Al igual que para el resto de los monosacáridos, la configuración D o L se determina tomando como referencia el C asimétrico más alejado del grupo carbonilo, que aquí es el C3.

PENTOSAS

Glúcidos de 5 átomos de C. En las aldopentosas, como hay 3 carbonos asimétricos, aparecen 8 posibles estructuras moleculares. En la naturaleza solo se encuentran 4, pero la más importante es la D-ribosa. Entre las cetopentosas cabe citar la D-ribulosa.

HEXOSAS

Glúcidos de 6 átomos de C. Las aldohexosas tienen 4 C asimétricos, por lo tanto hay 16 posibles estructuras diferentes (entre ellas, la D-glucosa, la D-manosa y la D-galactosa; entre las cetohexosas cabe citar la D-fructosa).

Los monosacáridos de 5 a 6 átomos de C no se presentan en forma lineal sino ciclados, ya que el grupo aldehído o cetona, al estar próximo al –OH, hace que reaccionen y den lugar a un enlace hemiacetálico (o hemicetálico) intramolecular. Por ello, en disolución la estructura lineal generalmente se cierra sobre sí misma formando un hexágono, parecido al de una molécula llamada PIRANO, o un pentágono semejante al de una molécula llamada FURANO.

GLUCOSA

Tiene función energética. Es el glúcido más abundante; es llamada azúcar de uva. En la naturaleza se encuentra la D-glucosa (que es dextrógira). La glucosa, al disolverse en agua, se hidrata, ya que el grupo carbonilo capta una molécula de agua. El grupo carbonilo pasa a ocupar el C5, adquiriendo la molécula forma hexagonal, como la del pirano, por lo que se denomina glucopiranosa, formando un hemiacetal (unión de un aldehído con alcohol) intramolecular. El grupo –OH que ahora tiene el C1 se denomina hidroxilo hemiacetálico. Este C es asimétrico y se denomina CARBONO ANOMÉRICO. Según la posición del –OH se distinguen dos anómeros: α (trans, silla) y β (cis, nave), lo que se conoce con el nombre de proyección de Haworth.

OTROS MONOSACÁRIDOS

  • GALACTOSA: se puede hallar en la orina de los animales en forma de β-D-galactosa. Se encuentra en mucopolisacáridos.
  • MANOSA: es una aldohexosa. Se encuentra como D-manosa en ciertos tejidos vegetales.
  • FRUCTOSA: es una cetohexosa. Se halla en forma β-D-fructopiranosa. Es fuertemente levógira y se encuentra libre en la fruta y, asociada con la glucosa, forma la sacarosa.

ENLACE N-GLUCOSÍDICO

Se da entre un –OH de un monosacárido y un grupo amino (NH2) de una base nitrogenada. Se lleva a cabo entre la ribosa o desoxirribosa y el NH de una base, con desprendimiento de una molécula de agua (ya que es el medio donde se llevan a cabo las reacciones químicas).

ENLACE O-GLUCOSÍDICO

Se da entre dos monosacáridos (entre 2 grupos –OH), con desprendimiento de agua. Entre 2 OH de monosacáridos se desprende 1 molécula de agua, dando lugar a un enlace: α-glucosídico si el 1º monosacárido es α, o β-glucosídico si el 1º monosacárido es β.

SUSTANCIAS DERIVADAS DE LOS MONOSACÁRIDOS

  • Aminoazúcares: sustituyen un grupo –OH por NH2 (D-glucosamina: forma parte de la quitina; D-galactosamina: cartílagos; ácidos siálicos: glucoproteínas).
  • Oxiazúcares: por reducción, desaparece el grupo –OH y aparece un H.
  • Azúcares ácidos: por oxidación, dando lugar al ácido hialurónico.
  • Polialcoholes: los grupos funcionales COH y CO pasan a –OH (sorbitol: rosáceas; manitol: piña; glicerol).
  • Fosfatos de azúcares: glucosa 1-P (1 fosfato) y ribosa 5-P.

LOS DISACÁRIDOS

Son oligosacáridos formados por la unión de 2 monosacáridos (mediante un enlace O-glucosídico), que se realiza de dos formas:

  • Enlace monocarbonílico: solo interviene el OH del C carbonílico y un OH cualquiera. Sigue teniendo la capacidad de reducir el líquido de Fehling.
  • Enlace dicarbonílico: se establece entre los 2 C anoméricos de los dos monosacáridos. Pierde la capacidad de reducir el líquido de Fehling.

PROPIEDADES: sabor dulce, blancos, cristalizables. Se disuelven bien en agua formando disoluciones verdaderas. Son capaces de reducir el líquido de Fehling, excepto la sacarosa, cuyo enlace es dicarbonílico.

PRINCIPALES DISACÁRIDOS

  • MALTOSA: formada por 2 moléculas de D-glucopiranosa mediante enlace α(1-4). Se encuentra libre en el grano germinado de la cebada.
  • CELOBIOSA: formada por 2 moléculas de D-glucopiranosa mediante enlace β(1-4). No se encuentra libre en la naturaleza.
  • LACTOSA: formada por una molécula de β-D-galactopiranosa y otra de α-D-glucopiranosa mediante enlace β(1-4). Es el azúcar de la leche.
  • SACAROSA: formada por una molécula de α-D-glucopiranosa y otra de β-D-fructopiranosa mediante enlace α(1-2). Es el azúcar de caña o de remolacha y forma un enlace dicarbonílico, por lo que no reduce Fehling.
  • ISOMALTOSA: formada por 2 moléculas de α-D-glucopiranosa mediante enlace α(1-6). No se encuentra libre en la naturaleza.

LOS POLISACÁRIDOS

Están formados por la unión de muchos monosacáridos (de 11 a miles).

  • No reducen el líquido de Fehling, pero tienen poder reductor.
  • Tienen pesos moleculares muy elevados y no tienen sabor dulce.
  • Pueden desempeñar funciones estructurales o de reserva energética.

En los polisacáridos diferenciamos:

  • HOMOPOLISACÁRIDOS: polímeros de un solo tipo de monosacárido, con enlaces α (almidón y glucógeno) o β (celulosa, quitina).
  • HETEROPOLISACÁRIDOS: cuando en el polímero intervienen más de un tipo de monosacárido (gomas, agar-agar, pectinas).

ALMIDÓN

Polisacárido de reserva propio de los vegetales. En el almidón se encuentran unidas miles de moléculas de glucosa. Está integrado por 2 tipos de polímeros:

  • Amilosa: constituida por un polímero de maltosas unidas mediante enlaces α(1-4). Es soluble en agua, dando dispersiones coloidales. Las enzimas que la degradan terminan en -asa. La α-amilasa corta por cualquier punto, es decir, hidroliza al azar los enlaces α(1-4). La β-amilasa comienza a hidrolizar por los extremos reductores, liberando maltosa.
  • Amilopectina: constituida por un polímero de maltosas unidas mediante enlaces α(1-4), con ramificaciones (cada 12 unidades) en posición α(1-6). Es menos soluble que la amilosa. Los núcleos de estas ramificaciones reciben el nombre de dextrinas.

GLUCÓGENO

Polisacárido propio de los animales. Está constituido por un polímero de maltosas unidas mediante enlaces α(1-4), con ramificaciones (cada 8 o 10 unidades) en posición α(1-6), pero con mayor abundancia de ramas. Su peso molecular oscila entre 1 y 5 millones. Las amilasas sobre el glucógeno dan maltosas y dextrina límite.

CELULOSA

Polisacárido con función esquelética propio de los vegetales. Es el elemento principal de la pared celular. Es un polímero formado por β-D-glucopiranosas unidas mediante enlaces β(1-4), que forman cadenas moleculares no ramificadas que se pueden unir mediante puentes de H, rodeadas de cadenas no muy ordenadas llamadas micelas. Las micelas se unen formando microfibrillas, que a su vez se agrupan formando FIBRAS (como las de algodón), visibles a simple vista. Este polisacárido no tiene interés alimentario para el hombre.

QUITINA

Polímero de N-acetil-D-glucosamina unido mediante enlaces β(1-4), que forma cadenas paralelas. Es el componente esencial del exoesqueleto de los artrópodos. Confiere gran resistencia.

HETEROPOLISACÁRIDOS

Sustancias que por hidrólisis dan lugar a varios tipos distintos de monosacáridos o derivados de estos:

  • Pectina: se encuentra en la pared celular de los tejidos vegetales. Posee una gran capacidad gelificante y presenta intercalados otros monosacáridos, de los que surgen ramificaciones.
  • Agar-agar: polímero de D y L-galactosa que se extrae de las algas rojas. Especialmente difícil de digerir.
  • Goma: polímeros de arabinosa, galactosa y ácido glucurónico con función defensiva en plantas.

GLÚCIDOS ASOCIADOS A OTRO TIPO DE MOLÉCULAS

  • Heterósidos: resultan de la unión de un monosacárido o de un pequeño oligosacárido y una molécula no glucídica de bajo peso molecular (aglucón). Los más destacados son: la digitalina (se utiliza en enfermedades vasculares), los antocianósidos (responsables del color de las flores), los tanósidos, la estreptomicina y los nucleótidos (derivados de la ribosa y desoxirribosa).
  • Peptidoglucanos: cadenas de heteropolisacáridos + oligosacáridos (5 aa). Es el componente de las paredes celulares de las bacterias. También se llama MUREÍNA.
  • Proteoglucanos: moléculas formadas por una gran fracción de glucosaminglucanos (80%) y una pequeña fracción de proteína (20%).
    • Glucosaminglucanos estructurales: los más importantes son el ácido hialurónico y los sulfatos de condroitina. Presentan alternancia de enlaces β(1-4) y β(1-3). Forman la matriz extracelular.
    • Glucosaminglucanos de secreción: el más conocido es la heparina, que se encuentra en los pulmones y el hígado. Presenta alternancia de enlaces α(1-4) y α(1-3). En medicina se utiliza para evitar trombosis.
  • Glucoproteínas: moléculas formadas por una pequeña fracción glucídica y una gran fracción proteica, que se unen mediante enlaces fuertes. Las principales son: las mucinas de secreción; las glucoproteínas de la sangre, como las inmunoglobulinas; las enzimas ribonucleicas; y las glucoproteínas de la membrana plasmática.
  • Glucolípidos: constituidos por monosacáridos u oligosacáridos unidos a lípidos. Se encuentran en la membrana celular:
    • Los CEREBRÓSIDOS: cadena de 1 a 15 monosacáridos.
    • Los GANGLIÓSIDOS: siempre hay un oligosacárido en el que aparece el ácido siálico. Abundan en las membranas de las células del sistema nervioso.

FUNCIONES DE LOS GLÚCIDOS EN GENERAL

  • Función energética: el glúcido más importante es la glucosa, ya que es el monosacárido que más abunda en el medio interno y puede atravesar la membrana plasmática sin necesidad de ser transformado en moléculas más pequeñas.
  • Función estructural: hay que destacar la importancia del enlace β, que impide que algunos organismos puedan permanecer cientos de años manteniendo estructuras.

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