La vida depende de sustancias muy variadas que forman las células y permiten obtener energía, construir estructuras y transmitir información. Incluyen agua, sales minerales y gases, además de glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Comprender cómo se organizan ayuda a explicar la nutrición, el metabolismo, las membranas y la herencia.

1. Biomoléculas inorgánicas: agua, sales y gases

Las biomoléculas inorgánicas son sustancias presentes en los seres vivos que incluyen agua, sales minerales y gases. Pueden encontrarse en estado sólido, líquido o gaseoso. El agua constituye alrededor del 70% del peso de la célula, mientras las sales y los gases participan en estructuras, reacciones y funciones celulares.

• Agua: es el compuesto químico más abundante en los seres vivos y el medio donde ocurre la mayor parte de las reacciones celulares.
• Sales minerales: pueden estar disueltas en agua o líquidos orgánicos, o precipitadas en tejidos, órganos y otros sustratos.
• Gases: el oxígeno y el dióxido de carbono intervienen en reacciones metabólicas relacionadas con la respiración celular.

2. Propiedades biológicas del agua

La molécula de agua está formada por oxígeno e hidrógeno, con fórmula H₂O. Su disposición espacial crea una región electronegativa y otra electropositiva, por lo que el agua forma un dipolo. Las moléculas de agua se unen mediante puentes de hidrógeno. Estos enlaces explican varias propiedades necesarias para las células y los organismos:

• Buen disolvente: permite disolver sustancias y facilita su circulación por los organismos.
• Alto calor específico: reduce los cambios bruscos de temperatura en los seres vivos.
• Alto calor de vaporización: permite disminuir la temperatura mediante la evaporación.
• Alta tensión superficial: ayuda a las células a cambiar de forma y adaptarse al medio.
• Medio de transporte y reacción: el transporte de sustancias y muchas reacciones químicas ocurren en medio acuoso.
• Lubricante y amortiguador: reduce el roce entre músculos, tendones, ligamentos y órganos, y disminuye daños por golpes.
• Percepción sensorial: el gusto necesita un medio acuoso como la saliva, y el olfato necesita sustancias acuosas como el mucus.

El agua sólida es menos densa que el agua líquida, por eso el hielo flota. Esta propiedad permite la vida en zonas polares.

3. Sales minerales y funciones celulares

Las sales minerales se disuelven por ionización al entrar en contacto con el agua. Así originan aniones y cationes, que participan en reacciones imprescindibles para la vida. Cuando precipitan, forman estructuras sólidas. Los carbonatos y fosfatos aparecen en huesos, dientes y caparazones de algunos animales. Sus funciones principales son:

• Mantener el grado de salinidad del medio interno.
• Actuar como disoluciones reguladoras de los cambios de pH.
• Permitir la transmisión del impulso nervioso.
• Participar en la contracción muscular.

Los gases inorgánicos también tienen funciones metabólicas. El oxígeno y el dióxido de carbono intervienen especialmente en procesos relacionados con la respiración celular.

4. Biomoléculas orgánicas y glúcidos

Las biomoléculas orgánicas son compuestos complejos de la materia viva, formados principalmente a partir del carbono y organizados en grandes grupos. El carbono puede combinarse fácilmente con oxígeno, hidrógeno y otros elementos. Las principales macromoléculas orgánicas son glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

Los glúcidos, también llamados azúcares o hidratos de carbono, proporcionan energía y forman parte de estructuras como las membranas celulares. Están compuestos por carbono, oxígeno e hidrógeno y responden a la fórmula C_nH_2nO_n. Sus átomos de carbono pueden unirse a grupos hidroxilo, cetónico y aldehído, además de otros grupos funcionales como carboxilos y aminos.

La organización de los glúcidos sigue esta secuencia:

1. Monosacáridos: unidades básicas sencillas.
2. Disacáridos: unión de dos monosacáridos.
3. Polisacáridos: cadenas grandes formadas por la unión de varias unidades.

Los monosacáridos se clasifican por su número de carbonos: triosas, tetrosas, pentosas y hexosas. Son sólidos cristalinos, dulces y solubles en agua. Las hexosas más importantes son la glucosa, la fructosa y la galactosa.

• Glucosa: tiene 6 átomos de carbono, forma un anillo hexagonal y es utilizada por las células para obtener energía.
• Fructosa: también tiene 6 carbonos, forma un anillo pentagonal y se encuentra en la miel y las frutas.
• Galactosa: aparece en legumbres y agar, y forma parte de la lactosa.

5. Disacáridos y sus combinaciones

El disacárido es un glúcido formado por la unión de dos monosacáridos, con liberación de una molécula de agua. La unión ocurre cuando un grupo aldehído o cetónico de un monosacárido reacciona con un grupo hidroxilo del otro. Los principales disacáridos son:

Las fórmulas de unión indicadas son:

• Sacarosa: Glucosa-α(1→2)β-Fructosa
• Maltosa: Glucosa-α(1→4)α-Glucosa
• Lactosa: Galactosa-β(1→4)α-Glucosa

6. Polisacáridos: reserva y estructura

Los polisacáridos son glúcidos formados por la unión de muchas moléculas de monosacáridos. Se producen mediante enlaces semejantes a los de los disacáridos, con liberación de agua. A diferencia de otros azúcares, no cristalizan, no son dulces y no se disuelven en agua. Los tres polisacáridos principales son polímeros de glucosa:

Cuando falta energía, la célula metaboliza el glucógeno. Por hidrólisis produce primero maltosa y después glucosa, que entra en las rutas metabólicas celulares. La celulosa forma microfibrillas muy largas que se agrupan en fibrillas y luego en fibras insolubles. Un ejemplo de estas fibras es el algodón.

En conjunto, los azúcares cumplen tres funciones principales: energética, estructural y de reserva.

7. Lípidos y ácidos grasos

Los lípidos son compuestos orgánicos poco solubles en agua y solubles en disolventes orgánicos, con funciones energéticas, estructurales y de reserva. Están formados principalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno, aunque pueden incluir fósforo, azufre y nitrógeno. También actúan como aislantes térmicos y protectores de órganos, como el riñón. Su metabolismo de reserva es más lento que el de los azúcares, pero produce más calorías. Además, forman parte de las membranas celulares.

Los grupos principales son ácidos grasos, triglicéridos, ceras, fosfolípidos y esteroides.

Un ácido graso es una cadena hidrocarbonada con un número par de carbonos y un grupo carboxilo terminal, −COOH. Generalmente contiene entre 16 y 18 átomos de carbono. Es saturado si todos sus enlaces entre carbonos son simples, e insaturado si presenta enlaces dobles o triples. Sus propiedades dependen del tipo y la posición de los enlaces, además de la longitud de la cadena.

• Ácido palmítico: ácido graso saturado de 16 átomos de carbono.
• Ácido oleico: ácido graso insaturado de 18 átomos de carbono.

En medios acuosos, los ácidos grasos pueden formar películas superficiales porque no se disuelven en agua. Si se emulsionan, forman micelas. En las células, participan en membranas organizadas en bicapas, debido a sus regiones hidrófobas e hidrofílicas.

8. Triglicéridos, ceras y fosfolípidos

Los triglicéridos se originan por esterificación: reaccionan tres grupos alcohólicos del glicerol con tres ácidos grasos, y se liberan 3 moléculas de agua.

Glicerol + 3 ácidos grasos → triglicérido + 3H₂O

Son los lípidos más abundantes de la naturaleza y forman un reservorio energético. Constituyen componentes fundamentales del tejido adiposo y proporcionan más del doble de energía que una cantidad igual de glúcidos o proteínas. Cuando aumentan mucho en sangre, pueden producir patologías cardiovasculares. Si sus ácidos grasos son insaturados, originan aceites; si son saturados, originan sebos.

• Ceras: resultan de esterificar un ácido graso de cadena larga con un alcohol de cadena muy larga. Son impermeables e insolubles en agua, por lo que protegen y revisten la piel, pelos, plumas, hojas, frutos, insectos y panales de abejas.
• Fosfolípidos: se parecen a los triglicéridos, pero contienen un grupo fosfato. Pueden asociarse con colina, serina o inositol, compuestos hidrofílicos. Forman micelas o bicapas. La bicapa contiene cabezas polares hidrófilas hacia el agua y colas hidrofóbicas hacia el interior, por lo que constituye la base estructural y funcional de las membranas celulares.

9. Esteroides, lipoproteínas y proteínas

Los esteroides son lípidos complejos y diversos. Incluyen hormonas de la corteza suprarrenal, hormonas sexuales, ácidos biliares, colesterol y vitamina D. Entre los compuestos representados se encuentran el colesterol, la testosterona y el estradiol.

Las lipoproteínas se forman cuando lípidos poco solubles en agua, como triglicéridos, fosfolípidos y colesterol, se unen a proteínas. Transportan lípidos desde el intestino al hígado y desde el hígado hacia los tejidos.

• Quilomicrones: transportan grasas desde la mucosa intestinal hacia el hígado y el tejido adiposo para almacenarlas.
• VLDL: lipoproteína de muy baja densidad que lleva triglicéridos desde el hígado hacia el tejido adiposo y algunos órganos.
• LDL: lipoproteína de baja densidad que transporta colesterol y fosfolípidos a los tejidos; en cantidades elevadas puede aumentar el riesgo de arteriosclerosis.
• HDL: lipoproteína de alta densidad que retira colesterol del sistema vascular y disminuye ese riesgo.

Las proteínas son macromoléculas abundantes e importantes, llamadas moléculas de la vida. Cumplen funciones estructurales, metabólicas, de transporte, reconocimiento y defensa. Están formadas por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Algunas contienen azufre y fósforo, o aparecen asociadas con yodo, calcio, hierro y magnesio. Constituyen el 50% del peso seco del cuerpo humano. Son polímeros de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. En cada enlace se libera una molécula de agua y se forma un péptido.

10. Aminoácidos, estructuras proteicas, enzimas y vitaminas

Los aminoácidos son las unidades básicas de las cadenas polipeptídicas. Cada uno posee un grupo carboxilo, −COOH, un grupo amino, −NH₂, un hidrógeno y una cadena lateral unidos a un carbono determinado. La cadena lateral distingue un aminoácido de otro. En los seres vivos existen 20 aminoácidos diferentes. Su combinación y disposición explican la variedad de proteínas.

Los aminoácidos esenciales no pueden ser sintetizados por el organismo y deben obtenerse mediante la dieta. Ejemplos son fenilalanina, triptófano, lisina y leucina. Los aminoácidos que el organismo sí puede sintetizar son no esenciales.

Estructuras proteicas

1. Estructura primaria: secuencia lineal de aminoácidos.
2. Estructura secundaria: plegamientos o enrollamientos producidos por enlaces específicos; incluye hoja beta y hoja alfa.
3. Estructura terciaria: forma tridimensional producida por enlaces entre aminoácidos alejados de la cadena.
4. Estructura cuaternaria: unión de varias cadenas de estructura terciaria, llamadas subunidades, mediante enlaces débiles. La hemoglobina es un ejemplo.

Las proteínas forman parte de músculos, pelos y uñas. También actúan como catalizadores, anticuerpos, mediadoras del impulso nervioso y hormonas, y participan en el transporte de oxígeno mediante la hemoglobina.

Enzimas

Las enzimas son biomoléculas proteicas que catalizan reacciones químicas. Aumentan la velocidad de reacciones necesarias para la vida cuando estas no ocurrirían suficientemente en condiciones fisiológicas de pH y temperatura. La parte proteica de una enzima se llama apoenzima. Puede asociarse con un componente pequeño no proteico llamado cofactor, cuya presencia puede ser necesaria para activar la enzima. Si la unión al componente no proteico es fuerte, se denomina grupo prostético; si este grupo es orgánico, recibe el nombre de coenzima.

Vitaminas

Las vitaminas son biomoléculas que actúan como coenzimas en muchas reacciones fisiológicas. Se necesitan en pequeñas cantidades, pero su déficit puede causar trastornos graves.

• Liposolubles: A, D, E y K. Se disuelven en lípidos, no se excretan fácilmente por la orina y pueden acumularse cuando se consumen en exceso.
• Hidrosolubles: vitaminas del grupo B y vitamina C. Se disuelven en agua y su exceso puede excretarse por la orina.

Las vitaminas son producidas principalmente por vegetales y su naturaleza química se altera fácilmente con el calor y la presión.

11. Ácidos nucleicos, ADN y ARN

Los ácidos nucleicos son el ADN y el ARN, biomoléculas celulares responsables de conservar, transmitir y traducir la información genética.

El ADN, o ácido desoxirribonucleico, presenta una configuración espacial de doble hélice. Está formado por nucleótidos unidos en cadenas largas. Cada nucleótido contiene:

• Un grupo fosfato.
• Una pentosa llamada desoxirribosa.
• Una base nitrogenada.

Las bases del ADN son adenina, guanina, citosina y timina. Adenina y guanina son bases púricas; citosina y timina son bases pirimidínicas. Las dos cadenas son complementarias y se unen mediante puentes de hidrógeno: adenina con timina, y guanina con citosina.

Los nucleótidos se unen entre el fosfato de uno y la pentosa del siguiente. Las dos cadenas se enrollan y forman la doble hélice. Durante la duplicación, las cadenas se separan y cada una sirve como molde para formar una cadena complementaria, produciendo dos cadenas idénticas a la original. Si cambian las secuencias de bases durante este proceso, aparecen mutaciones que alteran la información genética y suelen asociarse con enfermedades genéticas.

El ADN se encuentra principalmente en el núcleo. Durante la división celular se condensa en cromosomas visibles al microscopio óptico; cuando la célula no se divide, permanece descondensado en forma de cromatina.

El ARN, o ácido ribonucleico, está formado normalmente por una sola cadena lineal. Contiene ribosa en lugar de desoxirribosa y utiliza uracilo en lugar de timina. Sus bases son adenina, uracilo, guanina y citosina. Está presente en el núcleo y también en el citoplasma.

La información del ADN se ejecuta mediante el ARN y termina produciendo proteínas. Si esa información se altera, puede formarse una proteína modificada que pierda su función metabólica o estructural.