Introducción a las Biomoléculas

Las **biomoléculas** son los compuestos químicos que se encuentran en los organismos vivos. Están formadas por sustancias químicas compuestas principalmente por **carbono**, **hidrógeno**, **oxígeno**, **nitrógeno**, **azufre** y **fósforo**. Las biomoléculas son el fundamento de la vida y cumplen funciones imprescindibles para los organismos vivos.

Hay cuatro tipos de moléculas características de los seres vivos: las **proteínas**, los **hidratos de carbono**, los **lípidos** y los **ácidos nucleicos**. La mayoría de estas moléculas biológicas son grandes **polímeros** construidos por el enlace de moléculas más pequeñas llamadas **monómeros**.

Funciones Estructurales, Energéticas y Reguladoras

Cada tipo de macromolécula desempeña cierta combinación de funciones, como el almacenamiento de energía, sostén estructural, protección, catálisis, transporte, defensa, regulación, movimiento y almacenamiento de información. Estas funciones no son necesariamente excluyentes. Por ejemplo: tanto los hidratos de carbono como las proteínas pueden desempeñar papeles estructurales, dando sostén y protegiendo los tejidos y los órganos. Sin embargo, solo los **ácidos nucleicos** se especializan en el **almacenamiento de la información**.

Estas macromoléculas constituyen el **material hereditario** y llevan las características tanto de las especies como de los individuos. Las funciones de las macromoléculas están relacionadas con sus formas y con las secuencias y propiedades químicas de sus monómeros.

Algunas macromoléculas se pliegan en formas esféricas compactas, con características superficiales que las hacen **hidrosolubles** y capaces de una interacción cercana con otras moléculas. Algunas proteínas e hidratos de carbono forman sistemas fibrosos largos que proporcionan fuerza y rigidez a la célula y a los organismos. Otro tipo de arreglos de proteínas alargado y delgado puede contraerse y permitir el movimiento.

Dado que las macromoléculas son tan grandes, contienen muchos grupos funcionales diferentes.

Reacciones de Condensación e Hidrólisis

Los polímeros se construyen a partir de monómeros por una serie de reacciones denominadas reacciones de condensación. Estas dan como resultado monómeros unidos en forma **covalente**. Estas reacciones liberan una molécula de **agua** por cada enlace covalente que se forma. Las reacciones de condensación que producen los diversos tipos de polímeros difieren en detalle, pero en todos los casos los polímeros se forman solo si se añade **energía** al sistema. En los sistemas vivos, las moléculas específicas ricas en energía proporcionan esta energía.

La inversa de una reacción de condensación es una reacción de hidrólisis. Las reacciones de hidrólisis digieren los polímeros y producen **monómeros**. El agua reacciona con los enlaces covalentes que mantienen unido el polímero y los productos son monómeros libres. Los elementos del H₂O forman parte de los productos. Los enlaces entre los monómeros pueden así formarse y romperse dentro de los tejidos vivos.

Proteínas: Estructura Química y Funciones

Las funciones de las proteínas incluyen soporte estructural, protección, transporte, catálisis, defensa, regulación y movimiento. Las subunidades monoméricas de las proteínas son los **20 aminoácidos**.

Entre las funciones de las macromoléculas que se enumeraron, solo dos: almacenamiento de energía y almacenamiento de información no son realizadas por las proteínas.

Las proteínas pueden ser de tamaño pequeño, como la hormona **insulina**, o moléculas enormes, como la proteína del músculo **titina**. Cada una de estas proteínas está formada por un polímero simple, no ramificado, de aminoácidos (una **cadena polipeptídica**) plegada en una forma tridimensional específica. Muchas proteínas están constituidas por más de una cadena polipeptídica. La composición de una proteína se refiere a las cantidades relativas de los diferentes aminoácidos que contiene. La variación en la secuencia precisa de aminoácidos de cada cadena polipeptídica es la fuente de la diversidad de las estructuras y las funciones de la proteína.

Los Aminoácidos

Los **aminoácidos** son bloques estructurales de las proteínas. Tienen un grupo funcional carboxilo y un grupo funcional amino unidos al mismo átomo de carbono, llamado **carbono α**. A los valores de pH que se encuentran por lo común en las células, ambos grupos están ionizados: el grupo carboxilo ha perdido un ión hidrógeno y el grupo amino ha ganado uno. Dado que tienen tanto grupos carboxilo como amino, los aminoácidos son simultáneamente **ácidos y bases**.

También unido al átomo de carbono α hay un átomo de hidrógeno y una cadena lateral, o grupo R, que se designa con la letra R. El carbono α de un aminoácido es un **carbono asimétrico** porque está unido a cuatro átomos diferentes o a cuatro grupos de átomos. Por lo tanto, los aminoácidos existen en dos formas isométricas llamadas, **D-aminoácidos** y **L-aminoácidos**. D y L son abreviaturas de los términos empleados para derecha e izquierda. Los únicos aminoácidos que suelen encontrarse en las proteínas de la mayoría de los organismos son los **L-aminoácidos** y su presencia es una “firma” química importante de la vida.

Las cadenas laterales de los aminoácidos también contienen grupos funcionales, que son importantes en la estructura tridimensional y la función de la macromolécula de la proteína. Los **aminoácidos esenciales** son aquellos que el propio organismo no puede sintetizar por sí mismo. Esto implica que la única fuente de estos aminoácidos en esos organismos es la ingesta directa a través de la dieta.

Niveles de Estructura Proteica

Hay cuatro niveles de estructura proteica:

1. Estructura Primaria: La secuencia precisa de aminoácidos en una cadena polipeptídica. El esqueleto peptídico de la cadena polipeptídica consiste en la secuencia repetida -N-C-C-, constituida por el átomo N del grupo amino, el átomo carbono α y el átomo C del grupo carboxílico de cada aminoácido. La estructura primaria está determinada por **enlaces covalentes**.
2. Estructura Secundaria: Consiste en patrones especiales repetidos y regulares en diferentes regiones de una cadena polipeptídica. Hay dos tipos básicos de estructuras secundarias, ambos determinados por los **puentes de hidrógeno** existentes entre los aminoácidos que constituyen la estructura primaria.
3. Estructura Terciaria: Mientras que la formación de puentes de hidrógeno entre los grupos N-H y C=O dentro de las cadenas y entre ellas es responsable de la estructura secundaria, las interacciones entre los **grupos R** (las cadenas laterales de los aminoácidos) son las que determinan la estructura terciaria.
4. Estructura Cuaternaria: Muchas proteínas funcionales contienen dos cadenas polipeptídicas o más, llamadas subunidades, cada una de las cuales se pliega en su estructura terciaria única. La estructura cuaternaria de la proteína resulta del modo en el cual estas unidades se unen e interactúan.

La estructura cuaternaria se ilustra con la **hemoglobina**. Las interacciones hidrófobas, las fuerzas van der Waals, los puentes de hidrógeno y los enlaces iónicos contribuyen a mantener las cuatro subunidades juntas, formando la molécula de hemoglobina. La función de la hemoglobina es transportar oxígeno en los eritrocitos. Cuando la hemoglobina une una molécula de O₂, las cuatro subunidades tienen un leve corrimiento relativo en sus posiciones, lo cual cambia la estructura cuaternaria. Se rompen enlaces iónicos exponiendo cadenas laterales que se encontraban en el interior de la proteína, lo que aumenta la capacidad de unir moléculas adicionales de O₂. La estructura cuaternaria cambia nuevamente cuando la hemoglobina libera las moléculas de O₂ en las células del organismo.

Funciones Específicas de las Proteínas

• Función Enzimática: La gran mayoría de las reacciones metabólicas tienen lugar gracias a la presencia de un catalizador de naturaleza proteica específico para cada reacción. Estos biocatalizadores reciben el nombre de **enzimas**. La gran mayoría de las proteínas son enzimas.
• Función Hormonal: Las hormonas son sustancias producidas por una célula y que una vez secretadas ejercen su acción sobre otras células dotadas de un receptor adecuado. Algunas hormonas son de naturaleza proteica, como la **insulina** y el **glucagón** (que regulan los niveles de glucosa en sangre) o las hormonas segregadas por la hipófisis como la hormona del crecimiento, o la calcitonina (que regula el metabolismo del calcio).
• Función de Reconocimiento de Señales: La superficie celular alberga un gran número de proteínas encargadas del reconocimiento de señales químicas de muy diverso tipo. Existen receptores hormonales, de neurotransmisores, de anticuerpos, de virus, de bacterias, etc. En muchos casos, los ligandos que reconoce el receptor son, a su vez, de naturaleza proteica.
• Función de Transporte: Los transportadores biológicos son siempre proteínas. Son esenciales para llevar una molécula hidrofóbica a través de un medio acuoso (transporte de oxígeno o lípidos a través de la sangre) o para transportar moléculas polares a través de barreras hidrofóbicas (transporte a través de la membrana plasmática).
• Función Estructural: Las células poseen un **citoesqueleto** de naturaleza proteica que constituye un armazón alrededor del cual se organizan todos sus componentes. En los tejidos de sostén de los vertebrados, las fibras de **colágeno** forman parte importante de la matriz extracelular y son las encargadas de conferir resistencia mecánica.
• Función de Defensa: La propiedad fundamental de los mecanismos de defensa es la de discriminar lo propio de lo extraño. En bacterias, una serie de proteínas llamadas **endonucleasas de restricción** se encargan de identificar y destruir aquellas moléculas de DNA que no identifica como propias.
• Función de Movimiento: Todas las funciones de motilidad de los seres vivos están relacionadas con las proteínas. Así, la contracción del músculo resulta de la interacción entre dos proteínas, la **actina** y la **miosina**.
• Función de Reserva: La ovoalbúmina de la clara de huevo, la lactoalbúmina de la leche, la gliadina del grano de trigo y la hordeína de la cebada, constituyen una reserva de aminoácidos para el futuro desarrollo del embrión.
• Transducción de Señales: Los fenómenos de transducción (cambio en la naturaleza físico-química de señales) están mediados por proteínas. Por ejemplo, la **rodopsina** de la retina convierte un fotón luminoso en un impulso nervioso.
• Función Reguladora: Muchas proteínas se unen al DNA y de esta forma controlan la transcripción génica. De esta forma el organismo se asegura de que la célula, en todo momento, tenga todas las proteínas necesarias para desempeñar normalmente sus funciones. Las distintas fases del ciclo celular son el resultado de un complejo mecanismo de regulación desempeñado por proteínas como la **ciclina**.

Hidratos de Carbono (Carbohidratos)

Los hidratos de carbono son moléculas que contienen átomos de carbono flanqueados por átomos de hidrógeno y grupos hidroxilo (H-C-OH). Tienen dos papeles bioquímicos principales:

• Son la **fuente de energía** que puede liberarse en forma utilizable por los tejidos corporales.
• Son los esqueletos de carbono que pueden reacomodarse y formar nuevas moléculas esenciales para las estructuras y las funciones biológicas.

La fórmula general para los hidratos de carbono, **CH₂O**, muestra las proporciones relativas de carbono, hidrógeno y oxígeno.

Categorías de Carbohidratos

Hay cuatro categorías de hidratos de carbono de importancia biológica:

• Los monosacáridos, como la **glucosa**, la ribosa y la fructosa, son azúcares simples. Son los monómeros a partir de los cuales se construyen los hidratos de carbono de mayor tamaño.
• Los disacáridos consisten en dos monosacáridos unidos por enlaces covalentes.
• Los oligosacáridos están constituidos por varios monosacáridos.
• Los polisacáridos, como el almidón, el glucógeno y la celulosa, son polímeros grandes compuestos por cientos o miles de monosacáridos.

Monosacáridos

Todas las células vivas contienen el monosacárido **glucosa**. Las células emplean glucosa como fuente de energía, degradándola mediante una serie de reacciones que liberan la energía almacenada y producen agua y dióxido de carbono.

La glucosa existe de dos formas: como cadena lineal y en forma anular. Hay dos versiones de la forma anular, llamadas **glucosa-α** y **glucosa-β**, que difieren solo en la orientación del -H y -OH unidos al carbono 1.

Diferentes monosacáridos contienen números diferentes de carbonos. La mayoría de los monosacáridos que se encuentran en los sistemas vivos pertenecen a la serie D de los isómeros ópticos. Algunos monosacáridos son isómeros estructurales, con los mismos tipos y números de átomos, pero en diferentes disposiciones.

Hexosas y Pentosas

• Las **hexosas** son un grupo de isómeros estructurales, todos tienen la fórmula C₆H₁₂O₆. Entre las hexosas se encuentran la glucosa y la fructosa, la manosa y la galactosa.
• Las **pentosas** son azúcares de cinco carbonos. Hay dos pentosas importantes: la **ribosa** y la **desoxirribosa**, que forman parte del esqueleto de los ácidos nucleicos RNA y DNA, respectivamente.

Enlaces Glucosídicos

Los disacáridos, los oligosacáridos y los polisacáridos están construidos por monosacáridos ligados en forma covalente por las reacciones de condensación que forman las **uniones glucosídicas**. Una unión glucosídica simple entre dos monosacáridos forma un disacárido.

Polisacáridos

Son polímeros gigantes de monosacáridos conectados por uniones glucosídicas:

• El almidón es un polisacárido de la glucosa con uniones **α-glucosídicas**. Comprende una familia de moléculas grandes de una estructura muy semejante. Algunos almidones (**amilasa**) no están ramificados; otros están moderadamente ramificados (**amilopectina vegetal**). El almidón une agua con rapidez y cuando esa agua se elimina, el almidón no ramificado tiende a formar puentes de hidrógeno entre las cadenas de los polisacáridos.
• El glucógeno es un polisacárido de la glucosa altamente ramificado. Almacena glucosa en el hígado y los músculos de los animales.

El **almidón** y el **glucógeno** son los compuestos de **almacenamiento de energía** para vegetales y animales. Ambos se hidrolizan con rapidez a monómeros de glucosa, la cual puede degradarse y liberar energía almacenada.

• La celulosa también es un monosacárido de la glucosa, pero sus monosacáridos individuales están conectados por uniones **β-glucosídicas**. Es el componente predominante de las paredes de células vegetales y es el compuesto orgánico más abundante de la Tierra.

El almidón resulta un buen medio de almacenamiento que puede degradarse con facilidad y proveer glucosa para las reacciones que producen energía, mientras que la **celulosa** es un excelente **material estructural** que puede soportar condiciones adversas del ambiente sin modificarse.

Lípidos

Funciones de los Lípidos

Los **lípidos** son un grupo general de sustancias orgánicas **insolubles en solventes polares** como el agua, pero que se disuelven fácilmente en solventes orgánicos no polares, como el cloroformo. Es decir, son cadenas hidrocarbonadas insolubles en agua a raíz de sus muchos enlaces covalentes no polares. Todos tienen como característica principal el ser **hidrófobos** (insolubles en agua) y solubles en disolventes orgánicos. La mayoría de los lípidos tienen un carácter no polar, ya que poseen una gran parte hidrofóbica (que rechaza el agua).

Hay diferentes tipos de lípidos que cumplen diversas funciones:

• Las grasas y los aceites almacenan energía.
• Los fosfolípidos desempeñan papeles estructurales importantes en las **membranas celulares**.
• Los carotenoides participan en las plantas en la captura de **energía lumínica**.
• Los esteroides y los ácidos grasos modificados desempeñan funciones de **regulación** como hormonas y vitaminas.
• La grasa de los animales actúa como **aislante térmico**.
• Una cubierta de lípidos alrededor de los nervios proporciona **aislamiento eléctrico**.
• El aceite o la cera en la superficie de la piel, de los pelajes y de las plumas **repelen el agua**.

Triglicéridos: Síntesis y Almacenamiento

Los **triglicéridos** son la forma más eficiente que tiene el organismo de almacenar energía: esto es, en forma de grasa. Lo que almacenan las células constituyentes del tejido adiposo son los triglicéridos. Desde un punto de vista bioquímico, es la unión de tres ácidos grasos a una molécula de glicerina.

Desde el punto de vista químico, las grasas y los aceites son triglicéridos, conocidos también como **lípidos simples**. Los triglicéridos sólidos a temperatura ambiente se llaman grasas y los líquidos a temperatura ambiente, aceites.

Los triglicéridos están compuestos por dos tipos de bloques estructurales: los **ácidos grasos** y el **glicerol**. El glicerol es una molécula pequeña con tres grupos hidroxilo (-OH), mientras que un ácido graso está constituido por una larga cadena hidrocarbonada no polar y un grupo carboxilo polar (-COOH). Un triglicérido contiene tres moléculas de ácido graso y una molécula de glicerol. El grupo carboxilo del ácido graso puede unirse con el grupo hidroxilo del glicerol, lo que da como resultado un enlace covalente, llamado **enlace éster** y agua.

Los tres ácidos grasos de una molécula de triglicérido no necesariamente tienen la misma longitud o estructura en la cadena de hidrocarburos. Además, los pliegues de las moléculas de ácidos grasos son importantes en la determinación de la fluidez y el punto de fusión de un lípido.

Definiciones de Lípidos Específicos

Grasas

Son sustancias químicas que están en muchos alimentos y también en el cuerpo. Su función más conocida es ser una **reserva de energía** (un gramo de grasa son 9 kcal). Sirven para asimilar vitaminas como la A, D, E y K. Son la despensa, la reserva de energía para cuando no hay comida, sujetan y protegen órganos internos, como los riñones, son precursoras de algunas sustancias (hormonas, vitaminas, etc.) y forman parte de las membranas de todas las células del organismo, incluidas las del cerebro.

Aceites

Se entiende por aceite a todas aquellas sustancias que son estructuralmente grasas y que se obtienen a través del prensado de determinada materia prima.

Fosfolípidos

Contienen ácidos grasos unidos al glicerol por el enlace éster. Sin embargo, en los fosfolípidos algunos de los diversos compuestos que contienen fosfato reemplazan a uno de los ácidos grasos. El grupo funcional fosfato tiene carga eléctrica negativa, de modo que esta porción de la molécula es **hidrófila** (atrae moléculas de agua polares). No obstante, los dos ácidos grasos son **hidrófobos**, de manera que tienden a agregarse alejadas del agua.

En un ambiente acuoso, los fosfolípidos se alinean en forma tal que las “colas” no polares, hidrófobas, se empaquetan estrechamente y las “cabezas” que contienen a los fosfatos enfrentan el exterior donde interactúan con agua. Así, los fosfolípidos forman una **bicapa**: una hoja del grosor de dos moléculas en la cual el agua se encuentra excluida en la parte central.

Carotenoides

Son una familia de pigmentos que absorben luz y están presentes en plantas y animales. El **betacaroteno** es uno de los pigmentos que atrapan energía luminosa en las hojas durante la fotosíntesis. En los seres humanos, una molécula β-caroteno puede degradarse a dos moléculas de **vitamina A** a partir de la cual se sintetiza el pigmento rodopsina. Los carotenoides son responsables de los colores de las zanahorias, tomates, calabazas, yema de huevo y manteca.

Esteroides

Son una familia de compuestos orgánicos cuyos múltiples anillos comparten carbonos. El esteroide **colesterol** es un constituyente importante de las membranas. Otros esteroides funcionan como **hormonas**, señales químicas. El colesterol se sintetiza en el hígado y es el material de partida para fabricar testosterona y otras hormonas esteroides, como sales biliares.

Vitaminas

Son pequeñas moléculas que no se sintetizan en el cuerpo humano y, por lo tanto, deben ser tomadas de la dieta. Por ejemplo, la vitamina A se forma del β-caroteno. Las vitaminas regulan nuestro **metabolismo** (procesos bioquímicos que ocurren en la célula).

Ceras

Las glándulas de la piel secretan una cubierta cerosa que repele el agua y mantiene el cabello flexible. Todas las ceras tienen la misma estructura: están formadas por un enlace éster entre un ácido graso de cadena larga saturada y un alcohol de cadena larga saturada. El resultado es una molécula muy larga, con 40 a 60 grupos de CH₂.

Diferencia entre Ácidos Grasos Saturados e Insaturados

En los **ácidos grasos saturados**, todos los enlaces entre los átomos de carbono en la cadena hidrocarbonada son **enlaces simples**; no hay dobles ligaduras. Esto es, todos los enlaces están saturados con átomos de hidrógeno. Estas moléculas de ácido graso son relativamente rígidas y rectas, y están empaquetadas en forma estrecha.

En los **ácidos grasos insaturados**, la cadena hidrocarbonada contiene uno o más **enlaces dobles**. El ácido oleico, por ejemplo, es un ácido graso monoinsaturado que tiene un enlace doble cerca de la mitad de la cadena, lo que produce un pliegue en la molécula. Algunos ácidos grasos tienen más de un enlace doble y múltiples pliegues; son ácidos grasos **poliinsaturados**. Los pliegues impiden que las moléculas de ácidos grasos insaturados se empaqueten en forma apretada, una junto a la otra.

Los Ácidos Nucleicos

Apareamiento de Bases y Código Genético

El apareamiento de bases se refiere a la interacción entre bases nitrogenadas que da origen a las formas hibridadas o plegadas de los ácidos nucleicos, tanto el ADN como el ARN. Las interacciones entre las bases se dan a través de **puentes de hidrógeno** entre regiones específicas. El patrón de apareamiento describe la interacción **G-C** (guanina-citosina) y **A-T** (adenina-timina) y, como consecuencia, la estructura de doble hélice del ADN. El carácter complementario de este apareamiento proporciona también un mecanismo de replicación y transcripción: procesos esenciales en la transferencia y el procesamiento de la información genética.

El código genético es el conjunto de normas por las que la información codificada en el material genético (secuencias de ADN o ARN) se traduce en proteínas (secuencias de aminoácidos) en las células vivas. El código define la relación entre secuencias de tres nucleótidos, llamadas **codones**, y aminoácidos. Un codón se corresponde con un aminoácido específico.

La secuencia del material genético se compone de cuatro bases nitrogenadas distintas, que tienen una representación mediante letras en el código genético: adenina (A), timina (T), guanina (G) y citosina (C) en el ADN y adenina (A), uracilo (U), guanina (G) y citosina (C) en el ARN. La secuencia de codones determina la secuencia aminoacídica de una proteína en concreto, que tendrá una estructura y una función específica. El código está organizado en **tripletes o codones**: cada tres nucleótidos determinan un aminoácido.