“POLÍMEROS Y BIOMOLECULAS” I. INTRODUCCIÓN

Los Polímeros son

compuestos formados por la

unión de miles de unidades

más pequeñas denominadas

monómeros.

Los monómeros se unen entre sí a través de enlaces

covalentes, formando largas

cadenas y están ordenadas

formando grandes

estructuras en forma de

redes. En la naturaleza: proteínas, almidón, celulosa, etc. forman este tipo de estructuras. Almidón y celulosa son

macromoléculas constituidos por azúcares y constituyen parte importante de los vegetales. Proteínas y ácidos nucleicos son vitales en seres vivos ambas macromoléculas orgánicas son largas cadenas

constituidas por pequeñas unidades enlazadas; aminoácidos y nucleótidos. En 1827, Jons Jacob Berzelius acuñó el término polímero, (del griego polys, muchos y meros, partes) para

designar las moléculas de alta masa molecular formada por la polimerización de moléculas pequeñas

denominados monómeros. El hombre ha utilizado desde hace mucho tiempo

polímeros naturales, como el algodón, formado por

fibras de celulosas, o la celulosa misma obtenida

desde la madera, para la confección de telas y

papeles. La seda es otro polímero natural muy apreciado y es

una poliamida semejante al nylon. La lana, proteína

del pelo de las ovejas; el hule, extraído de los árboles,

constituyen también polímeros naturales importantes. Durante los últimos 60 años, los químicos han

desarrollado y perfeccionado diversos métodos para

crear polímeros sintéticos a partir de la polimerización

de moléculas sencillas. La gran mayoría de estas moléculas son compuestos orgánicos, los que le confieren al polímero un

esqueleto de enlaces carbono-carbono extraordinariamente fuerte, gracias a los enlaces covalentes que se

forman entre los átomos de carbono. Todos aquellos polímeros sintéticos que pueden ser moldeados en alguna fase de su elaboración son

denominados genéricamente como plásticos. Los ámbitos de utilización de los plásticos en la actualidad son

casi infinitos, reemplazando en muchos casos a polímeros naturales, como en el caso de la confección de

prendas de vestir o incluso a metales, como el acero en parte de automóviles. PROPIEDADES DE LOS POLIMEROS Según sus propiedades físicas, se pueden clasificar en: a) Termoplásticos: Son polímeros que funden sin descomponerse; puede moldearse cuantas veces se

desee modificando la temperatura. b) Elastómeros: Tienen propiedades elásticas, luego de deformarse pueden volver a su forma original.

Dentro de estos encontramos la goma o el caucho. c) Termorrígidos (termoestable): Forman una estructura rígida que por acción del calentamiento no se

funde, ya que si la temperatura llega a ser muy alta se destruye

1

2

A) FORMACIÓN DE POLIMEROS POR ADICIÓN Los monómeros que producen polímeros de adición por lo general contienen uno o más dobles enlaces. El

monómero más simple es el etileno (CH2=CH2) y su

polímero es el polietileno. La polimerización de este grupo comienza con la ruptura del doble enlace ubicado entre los átomos de carbono, de modo que cada uno de ellos queda con un electrón desapareado: CH2-CH2 → CH2

CH2 Esto hace que la molécula sea muy reactiva. La iniciación de este tipo de reacción se logra con sustancias como peróxidos orgánicos (R2O2) que son

inestables y se rompen fácilmente para dar como productos radicales libres (OR) -H2C-CH2- + OR → CH2-CH2-OR Luego comienza el alargamiento de la cadena de polietileno uniéndose con un electrón de la molécula de

eteno: CH2-CH2- + CH2-CH2-OR → CH2-CH2-CH2-CH2-OR La reacción continúa hasta formar una enorme cadena de polímero -[-CH2-CH2-]-n en polietileno n, varía

entre 1 000 a 50 000 unidades de etileno CAUCHO NATURAL El caucho natural es un hidrocarburo con fórmula molecular C5H8 que se extrae como

látex cuando se le realizan incisiones al árbol Hevea brasilensis . La precipitación de

las partículas de caucho produce una masa gomosa que no sólo es elástica sino que

sumamente pegajosa, sobre todo si se calienta. En 1839, Charles Goodyear descubrió después de trabajar cinco años con caucho natural, que si se

calentaba la goma de caucho con azufre obtenía un material que ya no era pegajoso, pero seguía siendo

elástico, repelente al agua y resistente.

El caucho vulcanizado, como se conoce

actualmente y que descubrió Goodyear, contiene

cadenas cortas de átomos de azufre que enlazan

las cadenas poliméricas del caucho natural y

reducen su instauración (dobles enlaces). El caucho natural es un poli-cis-isopreno, (los grupos

CH2-CH2, están en posición cis). Es decir al mismo lado

de un plano perpendicular al plano formado por el doble enlace -C=C- Poli-trans-isopreno También existe el poli- trans-isopreno. Se usa para

cubrir pelotas de golf y como aislante eléctrico. La

denominación trans, indica que las uniones entre

monómeros se producen entre carbonos en posición

trans. (a distinto lado del plano perpendicular al formado

por el enlace -C=C-). CAUCHO SINTÉTICO En 1955 los químicos de las compañías Goodyear y Firestone descubrieron casi

al mismo tiempo como sintetizar poli-cis-isopreno sintético, que es idéntico al

caucho natural. Muchos polímeros de adición con

importancia comercial son copolímeros.

Los copolímeros se obtienen

polimerizando una mezcla de dos o más

monómeros distintos. Un copolímero de estireno con butadieno es el caucho sintético más importante que se produce para fabricar

neumáticos. Se utiliza una relación molar 3:1 de butadieno a estireno para hacer SBR.

3

B) FORMACION DE POLÍMEROS POR CONDENSACIÓN Una reacción química en la que dos

moléculas se combinan para producir

una molécula de mayor tamaño y

simultáneamente libera una molécula

más pequeña como el agua, se denomina reacción de

condensación. Este tipo de reacciones se produce

en la formación de polipéptidos,

polisacáridos. Este tipo de reacción ocurre cuando los distintos compuestos que reaccionan poseen dos tipos distintos de

grupos funcionales. Un tipo de reacción de condensación es la que se produce entre un ácido carboxílico (-COOH) y una amina (-

NH2): R-COOH + H2N-R’ → R-CO-N-R’ + H2O

Uno de los productos fabricados utilizando el mismo mecanismo de la condensación es el Nylon que

comenzó a realizarse a partir de 1935.

4

5

BIOPOLÍMEROS PROTEÍNAS Las proteínas son el constituyente principal de la vida; están formadas por átomos de Carbono, Nitrógeno,

Hidrógeno y Oxígeno, formando una unidad básica denominada aminoácidos. Cabe señalar que las proteínas

constituyen el 50% del peso del cuerpo deshidratado. En algunos casos los aminoácidos contienen otros

elementos como el Azufre y el Fósforo. Los aminoácidos corresponden a unidades formadas por un grupo amino (-NH 2) y un grupo ácido carboxílico

(-COOH). Los aminoácidos son sólidos cristalinos, no volátiles, que funden a temperaturas relativamente

altas. R

O Veinte son los aminoácidos,

NH2 CH C llamados esenciales que

OH conforman todas las proteínas.

En condiciones adecuadas de temperatura y

pueden reaccionar algunos catalizadores

(enzimas), para unir los aminoácidos

produciendo macromoléculas denominadas

polímeros (proteínas). La mitad de los aminoácidos esenciales pueden

ser sintetizados por los animales a partir de los

glúcidos y los lípidos, en cantidades adecuadas

para cubrir sus requerimientos. La otra mitad

debe ser suministrado a través de la dieta

alimenticia pues no son sintetizables.

Estructura de los veinte aminoácidos

esenciales. Los aminoácidos encontrados en

organismos vivos corresponden a las formas L-

aminoácidos.

(Derecha, estructura de los aminoácidos) ENLACE PEPTÍDICO Durante la reacción se pueden adicionar otros

aminoácidos, formando tripéptidos, hasta

llegar a los polipéptidos que van a formar

posteriormente las proteínas. Las cadenas constituidas hasta 10 aminoácidos

se denominan oligopéptidos. Los polímeros que poseen un peso molecular de 5 000 g/mol se llaman polipéptidos. Se considera que una proteína tiene una cadena polipeptídica mayor de 5 000 g/mol o varias cadenas

polipeptídicas, dispuesta de una forma espacial definida.

ESTRUCTURAS DE LAS PROTEÍNAS Estructura primaria:

consiste en la secuencia

exacta de los

aminoácidos.

6

Estructura secundaria: Es la estructura resultante de los puentes de hidrógeno intramolecular, originando

una conformación espacial en que casi todos los casos es una espiral.

Estructuras Secundarias: arriba α-hélice, derecha: estructura sabana β.

Estructura terciaria: es la forma

tridimensional de la proteína a la cual

contribuyen los puentes de

hidrógeno, el puente S-S, fuerzas de

Van der Waals.

Estructura cuaternaria: es la

interacción de varias proteínas

simples para formar una estructura

compleja.

7

CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS

a) Proteínas simples Globulinas: Indispensables para la defensa contra infecciones. Se denominan Gamma- globulinas. Albúminas: Se encuentran en los huesos y en la sangre donde sirven como sistemas de buffer, para

mantener el pH constante, actúan como reguladores metabólicos impidiendo la destrucción de los glóbulos

rojos y otras células sanguíneas. Escleroproteínas: Se encuentran formando parte de las uñas, cabellos, piel, tendones, huesos y cartílago.

Histonas: Proteínas que forman parte de los ácidos nucleicos.

b) Proteínas conjugadas Glicoproteínas: Contienen glúcidos como grupo no proteico: ejemplo la musina de la saliva. Lipoproteínas: Poseen un grupo lipídico como grupo prostético, Se encuentra en la cubierta de los nervios,

membranas celulares y ribosoma ejemplo β-globulina presente en el suero. Cromoproteínas: Posee un grupo prostético coloreado. Ejemplo la hemoglobina. Nucleoproteínas: Está asociada con los ácidos nucleicos. Según su función pueden ser estructurales,

contráctiles, hormonas, enzimas, anticuerpos y proteínas sanguíneas encargada del transporte de gases,

coagulación, mantenimiento del pH y de la presión sanguínea. ENZIMAS Las enzimas son biocatalizadores de origen proteico que su función es acelerar una reacción bioquímica. Las enzimas no participan como reactante en la reacción, esto quiere decir que ellas permanecen inalteradas

al término de la reacción. Su mecanismo de acción es hacer bajar la energía de activación, aumentando así

la cantidad de productos formados en un lapso de tiempo determinado, aumentando la velocidad de reacción.

S + E fijación

ES transformación

P + E

→ →

SUSTRATO + ENZIMA → ENZIMA-SUSTRATO Producto + Enzima

A la derecha la figura representa el transcurso de reacción en

presencia de enzimas. Estas estructuras son muy complejas, están constituidas por

cadenas que poseen desde 200 a 1 000 aminoácidos. La

sustancia sobre la cuál actúa se denomina sustrato. La mayor

parte de las enzimas son específicas, esto quiere decir que

actúan sobre un determinado sustrato. Las enzimas (por lo general) se nombran adicionando el sufijo

ASA al nombre del sustrato o la reacción que cataliza. Por ejemplo: ureasa actúa sobre la urea, la oxidasa que oxida la glucosa. Además se utiliza el sufijo INA

para indicar la fuente de donde se extrae la enzima, por ejemplo la papaína, la que se extrae de la papaya. Las enzimas se dividen en seis clases principales: 1. Oxi-reductasas : intervienen en las reacciones oxido-reducción 2. Transferasas: transfieren un grupo de una molécula a otra 3. Hidrolasas: intervienen en las reacciones de hidrólisis 4. Isomerasas: interviene en las reacciones que forman isómeros 5. Ligasas: enlazan las moléculas

ALGUNOS FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA ACCIÓN ENZIMÁTICA

Temperatura: A medida que aumenta la temperatura aumentan las colisiones moleculares

por el aumento de la energía cinética, la velocidad de reacción también se ve

aumentada. Pero hasta un cierto límite, cuando la temperatura sigue

aumentando, hay una fuerte caída de la velocidad. Esto ocurre porque el

movimiento molecular y atómico aumenta al aumentar la temperatura, y ese

movimiento puede alterar la estructura de las enzimas y de algunas proteínas.

(A la derecha se observa el transcurso de una reacción enzimática en función de la temperatura

8

Este cambio de la estructura de las proteínas se denomina desnaturalización, se produce cuando se

rompen algunos enlaces intermoleculares de las enzimas. pH: La variación de la acidez altera la ionización de algunos grupos ionizables,

alterando su estructura tridimensional y su actividad biológica. Además puede

alterar el reconocimiento del sustrato por parte del sitio activo. Todas las

enzimas tienen un rango mínimo y máximo de pH. Al traspasar esos valores la enzima se desnaturaliza. (A la derecha representación del transcurso de

una reacción enzimática en función al pH. ÁCIDOS NUCLEICOS Los ácidos nucleicos son una clase de biopolímeros que son los portadores biológicos de toda la información

genética del ser vivo. Estos compuestos son de dos tipos: el ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido

ribonucleico). El ADN es una molécula gigante (polímero) Cada unidad repetitiva del ADN se denomina nucleótido y que

forman una estructura que va desde los 6 millones hasta los 16 millones. Además esta estructura se encuentra principalmente en el núcleo de la célula y su función es contener la

información hereditaria y controla la producción de proteínas. Los ARN llevan la información contenida en el

ADN, hacia el citoplasma, donde se transfiere a los organelos encargados de sintetizar las proteínas. Los monómeros de los ácidos nucleicos llamados nucleótidos se conforman de

tres partes: 1. una molécula de ácido fosfórico (H3PO4) 2. un azúcar de cinco carbonos. Desoxirribosa para el ADN y ribosa para el ARN.

(Arriba RIBOSA, abajo DESOXIRRIBOSA) La diferencia entre el ADN y el ARN radica en la pentosa presente en cada una de

estas moléculas. Mientras que el ADN existe la desoxirribosa, el ARN presenta

ribosa. Además en las bases nitrogenadas tanto el ADN como el ARN tienen

adenina citosina y guanina, en cambio la timina sólo está presente en el ADN y el

uracilo en el ARN. El ADN es el encargado de mantener la información para que la especie se

perpetúe, de generación en generación, sin alterar mayormente su aspecto global. El ARN, tiene la función de transcribir la información genética almacenada en el

ADN hacia los ribosomas donde se realiza la síntesis de proteínas, que da origen

a cada una de las características de la especie. La combinación de las bases nitrogenadas en el ADN hace que existan alrededor de 45 600 000 000

moléculas distintas con una estructura similar.

ESTRUCTURAS DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS En la figura se muestran las bases nitrogenadas:

Adenina, Citocina y Guanina, comunes para ADN

y ARN. Sólo se diferencian en que el ADN además

posee Timina y el ARN Uracilo. Los ácidos nucleicos son polímeros formados por

reacciones de condensación entre el grupo -OH

del ácido fosfórico de un nucleótido y el grupo -

OH del azúcar del otro nucleótido. Las moléculas de ADN se conforman por dos

cadenas o fibras de ácido desoxirribonucleico

que están enrolladas una a otra en forma de una

doble hélice. Los grupos azúcar y fosfato constituyen el

esqueleto de cada fibra. Las bases (A, C, G y T)

están unidos por los azúcares. Las dos fibras se mantienen unidas por la formación de puentes de hidrógeno entre las bases de ambas

cadenas. Las timinas se unen a las adeninas y las citocinas a las guaninas. TIMINA = ADENINA CITOCINA = GUANINA = Puente de Hidrógeno

9

ORGANIZACIÓN DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS Los ácidos nucleicos presentan distintos niveles de organización: La estructura primaria es la secuencia de los nucleótidos en una sola hebra. La estructura secundaria es la disposición de las dos cadenas de filamentos antiparalelos (en sentido

contrario), unidos a través de las bases nitrogenadas complementarias, unidos a través de puentes de

hidrógeno. La estructura terciaria corresponde a los diferentes empaquetamientos de la doble hélice del ADN para

formar los cromosomas.

10