Bioelementos y Biomoléculas Inorgánicas

Los Bioelementos Esenciales

Un bioelemento es un elemento químico que forma parte de la materia viva. Los principales son: Carbono (C), Hidrógeno (H), Nitrógeno (N), Oxígeno (O), Azufre (S) y Fósforo (P).

Importancia biológica de algunos bioelementos:

• Azufre (S): Componente esencial de la queratina.
• Magnesio (Mg): Componente central de la clorofila.
• Hierro (Fe): Componente de la hemoglobina.
• Calcio (Ca): Componente principal del esqueleto.

El Agua: Estructura y Propiedades

El agua es una molécula simple, reactiva, con propiedades fisicoquímicas especiales. Está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno ($ ext{H}_2 ext{O}$), es neutra y posee un carácter dipolar.

Propiedades Fundamentales del Agua

• Gran poder de disolución: Cumple una función metabólica. Al ser un excelente disolvente, la mayoría de las reacciones químicas que constituyen el metabolismo se llevan a cabo en el medio acuoso.
• Elevado calor específico: Cumple una función termorreguladora. El elevado calor específico permite que el citoplasma proteja a la célula ante los cambios bruscos de temperatura.
• Elevada fuerza de adhesión y cohesión: Facilita la capilaridad. Las fuerzas de adhesión y cohesión entre las moléculas de agua hacen posible el ascenso de la savia bruta en las plantas sin gasto energético.
• Gran transparencia: Permite la existencia de seres fotosintéticos bajo el agua. La elevada transparencia del agua permite la penetración de los rayos solares, posibilitando la vida fotosintética.

Glúcidos (Carbohidratos)

Los glúcidos son biomoléculas orgánicas formadas por Carbono (C), Hidrógeno (H) y Oxígeno (O). Contienen varios grupos hidroxilo ($ ext{-OH}$) y un grupo carbonilo ($ ext{C=O}$). Son moléculas polares, poseen poder reductor y almacenan un gran contenido energético.

Monosacáridos

Son las unidades básicas de los glúcidos. Sus características incluyen:

• Son solubles en agua.
• Tienen poder reductor.
• Pueden caramelizar.
• Presentan isomería.

Ejemplo: Las pentosas (como la Ribosa).

Ósidos

Los ósidos se forman por la unión de dos o más monosacáridos, unidos mediante enlaces O-glucosídicos.

Lípidos

Los lípidos son biomoléculas orgánicas caracterizadas por tener un esqueleto de carbono al que se unen principalmente hidrógeno y oxígeno. Sus propiedades clave son:

• Baja densidad.
• Son apolares e hidrofóbicos.
• Insolubles en disolventes polares (como el agua).
• Poseen un gran contenido energético.

Clasificación de los Lípidos

Lípidos Saponificables

Son aquellos que contienen ácidos grasos en su estructura y pueden formar jabones mediante saponificación. Sus funciones principales son la reserva energética y la formación de estructuras (membranas).

Ácidos Grasos

• Ácidos grasos saturados: Contienen solo enlaces simples. Tienen temperaturas de fusión altas y son sólidos a temperatura ambiente.
• Ácidos grasos insaturados: Contienen uno o más dobles enlaces. Tienen temperaturas de fusión bajas y son líquidos a temperatura ambiente.

Fosfolípidos

Están formados por la unión de un alcohol, uno o dos ácidos grasos y un ácido fosfórico, unido a su vez a un aminoalcohol. Son componentes esenciales de las membranas celulares.

Lípidos No Saponificables

Son aquellos que no contienen ácidos grasos. Cumplen principalmente funciones reguladoras y estructurales (ej. esteroides).

Proteínas

Aminoácidos

Los aminoácidos son las unidades monoméricas de las proteínas. Son moléculas que contienen un grupo amino ($ ext{-NH}_2$), un grupo carboxilo ($ ext{-COOH}$) y una cadena lateral (radical R). Sus características son:

• Son sólidos y solubles en agua.
• Poseen un punto de fusión alto.
• Se unen entre sí mediante enlaces peptídicos para formar proteínas.

Estructura de las Proteínas

La función de una proteína depende directamente de su estructura tridimensional, que se organiza en cuatro niveles:

1. Estructura Primaria: Es la secuencia ordenada de aminoácidos que constituyen la proteína.
2. Estructura Secundaria: Es el plegamiento local de la cadena de aminoácidos (ej. hélice alfa, lámina beta).
3. Estructura Terciaria: Es la forma tridimensional que adopta la cadena polipeptídica en el espacio. Está estabilizada por puentes de hidrógeno, puentes disulfuro e interacciones hidrofóbicas.
4. Estructura Cuaternaria: Es la unión de varias cadenas polipeptídicas (subunidades) para formar una proteína funcional compleja.

Propiedades de las Proteínas

• Solubilidad: Se debe a los aminoácidos polares que forman puentes de hidrógeno con el agua.
• Especificidad: Es determinada por el alto número de combinaciones posibles de aminoácidos en la estructura primaria, lo que define su función biológica.
• Desnaturalización: Es la pérdida de la estructura nativa (secundaria, terciaria o cuaternaria) cuando se rompen los enlaces que la mantienen.
• Capacidad amortiguadora del pH: Las proteínas son sustancias anfóteras, lo que significa que pueden comportarse como ácido o como base, ayudando a amortiguar las variaciones del pH en el medio celular.

Enzimas y Regulación Celular

Las Enzimas (Biocatalizadores)

Las enzimas son biocatalizadores que aceleran las reacciones químicas del metabolismo. Para que una reacción química ocurra, se requiere una cantidad mínima de energía, conocida como energía de activación. Las enzimas actúan disminuyendo esta energía de activación.

Características de las enzimas:

• Son moléculas solubles en agua.
• Son altamente específicas para su sustrato.
• Su función forma parte de rutas metabólicas y está sujeta a una estricta regulación celular.

Las coenzimas son cofactores orgánicos que se unen a las enzimas, generalmente mediante interacciones débiles, para facilitar su actividad catalítica.

Vitaminas

Las vitaminas son moléculas esenciales responsables de la regulación de una gran cantidad de procesos celulares.

Ejemplos de vitaminas y sus funciones:

• Vitamina B9 (Ácido fólico): Necesaria para la síntesis de hemoglobina. Su deficiencia causa anemia.
• Vitamina B12 (Cobalamina): Necesaria para la maduración de glóbulos rojos. Su deficiencia puede causar trastornos neurológicos.
• Vitamina C (Ácido ascórbico): Necesaria para la síntesis de dentina y colágeno. Su deficiencia causa escorbuto.

Ácidos Nucleicos

El Nucleótido

Un nucleótido es la unidad básica de los ácidos nucleicos. Está formado por tres componentes:

1. Una base nitrogenada.
2. Una pentosa (azúcar de cinco carbonos).
3. Un grupo fosfato (ácido fosfórico).

Las bases nitrogenadas se unen a la pentosa mediante un enlace N-glucosídico, formando un nucleósido. Los nucleósidos se unen al grupo fosfato mediante un enlace éster, formando finalmente el nucleótido.

Ácido Desoxirribonucleico (ADN)

El ADN es el polímero que porta la información genética. Es un polímero lineal formado por nucleótidos cuya pentosa es la desoxirribosa y sus bases nitrogenadas son Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) y Timina (T).

La desnaturalización del ADN es la pérdida de su estructura secundaria (la doble hélice).

Ácido Ribonucleico (ARN)

El ARN es un polímero lineal formado por nucleótidos cuya pentosa es la D-ribosa y sus bases nitrogenadas son Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) y Uracilo (U).

Tipos principales de ARN:

• ARN Ribosómico (ARNr): Forma parte estructural de los ribosomas.
• ARN Mensajero (ARNm): Transporta la información genética desde el ADN para la síntesis de proteínas. Su secuencia de bases es complementaria a la del ADN.
• ARN de Transferencia (ARNt): Capta los aminoácidos libres y los transporta a los ribosomas para la síntesis proteica.

Organización Celular y Transporte de Membrana

Células Procariotas y Eucariotas

• Célula Procariota: Carece de membranas internas que protejan su ADN o delimiten orgánulos. El material genético se encuentra disperso en el citoplasma (nucleoide).
• Célula Eucariota: Posee membranas internas que protegen el ADN, formando el núcleo, y delimitan orgánulos especializados.

Transporte a Través de la Membrana Plasmática

Transporte Pasivo

Mecanismo por el cual las moléculas se transportan a través de la membrana a favor de su gradiente de concentración y sin gasto energético (ATP).

Transporte Activo

Mecanismo por el cual las moléculas se transportan a través de la membrana en contra de su gradiente de concentración. Este proceso requiere aporte energético (ATP).

Transporte Mediado por Vesículas

• Endocitosis: Mecanismo de entrada a la célula. La membrana rodea y encierra material externo, formando una vesícula que se introduce en el citoplasma. Tipos principales: Endocitosis constitutiva y Endocitosis mediada por receptor.
• Exocitosis: Mecanismo de salida de la célula. Vesículas llenas de contenido citoplasmático se fusionan con la membrana plasmática e invierten su contenido al exterior celular.