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Biomoléculas: conceptos básicos
Son moléculas que solamente se encuentran en la materia viva, se clasifican en glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos; el conjunto de todos ellos constituye lo que se llama materia orgánica. De forma general, se utilizan biológicamente para tres funciones: estructural (forman estructuras biológicas), energética (liberan ó almacenan energía), y dinámica (intervienen en reacciones biológicas).
1. Glúcidos
Siempre contienen C, H, y O , y químicamente se pueden definir como polialcoholes con un grupo carbonilo (aldehído ó cetona). Realizan las siguientes funciones:
- Proporcionan energía , hasta 4 Klas/gr (glucosa), y la almacenan (almidón, glucógeno). - Forman estructuras (celulosa, ribosa del RNA, etc.) - Constituyen moléculas de tipo dinámico (vitamina C, heparina, etc.).
Los principales grupos son: a) Monosacáridos: son los más sencillos. A veces se les llama azúcares por su sabor dulce, y carbohidratos por contener el H y el O en la misma proporción que el agua. Su fórmula general es CnH2nOn , siendo n un número de C entre 3 y 7: triosas, tetrosas, pentosas, etc. Según que su grupo carbonilo sea un aldehído ó una cetona, los monosacáridos serán respectivamente Aldosas ó Cetosas.
Isomería: Una de sus características es que presentan estereoisomería debido a que alguno ó varios de sus carbonos son asimétricos, es decir que sus cuatro enlaces se saturan con radicales distintos. El número de estereoisómeros de una molécula es 2n , siendo n el número de carbonos asimétricos que tenga. De esta manera se forman los epímeros, moléculas que se diferencian según que el radical alcohólico (-OH) del carbono asimétrico más alejado del grupo carbonilo se sitúe a la derecha (forma D: la mayoría en la naturaleza) ó a la izquierda (forma L), y si estos isómeros forman estructuras especulares constituyen enantiomorfos. Este tipo de isomería no tiene nada que ver con los isómeros ópticos que también aparecen en las moléculas con carbonos asimétricos: en este caso, el isómero óptico llamado dextrógiro (ó +), cuando se encuentra disuelto desvía hacia la derecha el plano de la luz polarizada que lo atraviesa, y el isómero levógiro (ó -), lo desvía hacia la izquierda. Podemos encontrar isómeros D(+), como la glucosa (dextrosa), y D(-), como la fructosa (levulosa). Los monosacáridos con
más de cuatro carbonos no se suelen encontrar en forma abierta (representación de Fisher), sino formando anillos, es decir en forma cíclica (representación de Haworth), de tipo pentagonal (furanos) ó hexagonal (piranos), y entonces contienen un nuevo tipo de carbono asimétrico que se llama anomérico, y forman, por tanto, dos nuevos isómeros: el anómero α, cuando el radical -OH de ese carbono se sitúa por debajo del plano del anillo (posición trans), y el anómero β, cuando se sitúa por encima (posición cis). Estos isómeros tienen distinto poder de rotación de la luz polarizada, y cuando se encuentran en disolución se produce la mutarrotación: cambio gradual del poder rotatorio de la luz polarizada que atraviesa esa disolución, hasta estabilizarse.
b) Disacáridos: Se forman por la unión de dos monosacáridos, creándose el enlace O-Glucosídico, α ó β, y de tipo monocarbonílico (unión entre el carbono anomérico del primer monosacárido y otro no anomérico del segundo; en este caso se conserva el poder reductor: G + G —› Maltosa ; Gal + G —› Lactosa), ó dicarbonílico (unión de los dos carbonos anoméricos de ambos monosacáridos, con lo que se pierde el poder reductor: G + F —› Sacarosa). Los disacáridos suelen tener función energética, hidrolizándose para obtener sus monosacáridos constituyentes.
c) Polisacáridos: Se forman por la unión de miles de unidades de monosacáridos (principalmente glucosas), estableciendo enlaces glucosídicos entre ellos, y perdiendo en este proceso el poder reductor, la solubilidad (forman dispersiones coloidales), la cristalización, y el sabor dulce. Si los enlaces son del tipo α, el polisacárido tendrá función de reserva energética: almidón (formado por amilosa, lineal, y amilopectina, ramificada) en las células vegetales, y glucógeno (molécula helicoidal y parecida a la amilopectina del almidón, pero más ramificada) en las animales. Si el enlace es de tipo β, el polisacárido tendrá función estructural: celulosa (estructura lineal y sin ramificar) de la pared celular de los vegetales, quitina (unión de miles de NAGs), formando exosqueletos de artrópodos y la pared celular de los hongos.
2. Lípidos
Formados por C,H y O, se caracterizan por su insolubilidad en agua y su composición hidrocarbonada. Actúan como materiales de reserva energética (pueden proporcionar 9 Kcals/gr), como materiales estructurales (membranas celulares), ó como moléculas dinámicas (vitaminas liposolubles, ciertas hormonas, etc). Los más sencillos son:
a) Ácidos grasos, compuestos por una cadena lineal de un número par de carbonos, y una función ácido terminal: CH3-(CH2)n-COOH. Si sólo contiene enlaces sencillo son saturados (ác. palmítico, esteárico), y si presenta dobles enlaces son insaturados (oleico, linoleico). Su función es de reserva energética, y pueden esterificarse (a través del enlace éster) con alcoholes formando ésteres, que se hidrolizan a su vez recomponiendo sus constituyentes. Asimismo pueden saponificarse con álcalis, obteniéndose jabones (sales orgánicas). Su principal propiedad es su comportamiento anfipático, derivado del hecho de poseer una zona lipófila en su molécula (la cadena hidrocarbonada), y otra hidrófila (el radical ácido), lo que les hace insolubles en agua, formando micelas mono ó bicapa.
b) Los lípidos que se forman al esterificarse ácidos grasos con alcoholes de diverso tipo se llaman saponificables, pues tienen la propiedad de saponificarse. De ellos, los más sencillos son los glicéridos ó acilglicéridos, de función de reserva energética, esterificados con glicerina: oleina, estearina, palmitina, y que normalmente se llaman grasas, aceites y sebos. Cuando el alcohol con que se esterifica el ácido graso es de cadena muy larga, se forman los céridos (ceras), que se caracterizan por ser muy lipófilos ( =hidrófobos) y tener función protectora. Si los glicéridos contienen otros compuestos, forman los fosfolípidos (lecitina, cefalina) y esfingolípidos (esfingomielina, gangliósidos), fundamentales en las células pues forman la estructura bicapa de las membranas celulares: lípidos de membrana.
c) Un tercer tipo de lípidos se caracterizan por no contener ácidos grasos en su composición, y por tanto no poder saponificarse: lípidos insaponificables. Su función suele ser metabólica, y algunos son muy importantes: terpenos como el fitol (alcohol de la clorofila), las vitaminas A,E y K , el caucho, y esteroides como el colesterol, la vitamina D, las hormonas de la corteza suprarrenal y sexuales.
3. Proteínas
Contienen siempre C,H,O y N, y están constituídas por la unión de unas unidades básicas llamadas aminoácidos (α'αs), que químicamente contienen una función amina y otra ácido.
a) Aminoácidos como tienen carbonos asimétricos, también tienen estereoisomería (en la naturaleza, la mayor parte son formas L), y actividad óptica dextro (+) ó levo (-).
Químicamente tienen carácter anfótero por presentar doble ionización, y se comportan como ácidos ó bases dependiendo del medio en que se encuentren.
Los α'αs que se unen entre sí para formar proteínas se llaman proteinógenos (unos 20), y lo hacen estableciendo un enlace característico de tipo amida: el enlace peptídico, que puede romperse mediante hidrólisis.
Cuando la cantidad de α'αs que se unen es pequeña, se forma un polipéptido, p. ej. la insulina.
b) Las proteínas, para ser biológicamente activas necesitan conformarse tridimensionalmente, y pasan sucesivamente por las estructuras 1ª, 2ª y 3ª. La estructura primaria es la secuencia de α'αs de la proteína, es decir el número, tipo y orden de colocación de sus α'αs. A continuación se pliega mediante enlaces no peptídicos, obteniéndose la estructura secundaria: enrollamientos espirales (α-hélice) ó láminas plegadas (β-láminas). Finalmente se conforma tridimensionalmente mediante nuevos plegamientos, adquiriendo la estructura terciaria: conformación filamentosa, formándose proteínas insolubles de función estructural, p.ej. la queratina, ó conformación globular, apareciendo proteínas solubles con función dinámica, p.ej los enzimas. Si la proteína está constituída por más de una subunidad (protómeros), entonces debe adquirir la estructura cuaternaria, uniéndose tales subunidades (p.ej. la hemoglobina).
Las proteínas pueden inactivarse mediante calor, cambios de pH, agitación, perdiendo su estructura 2ª, 3ª ó 4ª (no los enlaces peptídicos, que se rompen mediante hidrólisis), lo que se llama desnaturalización, que puede ser reversible e irreversible. Quizá su propiedad más característica es su especificidad, lo que quiere decir que cada especie, incluso los individuos de la misma especie, tienen proteínas distintas que realizan la misma función. Ello es debido a que se forman a través del mensaje genético: DNA —› RNA —› Proteína.
c) Las proteínas más sencillas sólo contienen α'αs en su composición y se llaman holoproteínas, pudiendo ser globulares, con función dinámica (albúminas, histonas, globulinas), ó filamentosas, con función estructural (colágeno, queratina, elastina). Si contienen, además de α'αs (grupo proteico), otros componentes (grupo prostético), se llaman heteroproteínas ó proteínas conjugadas, y suelen tener funciones dinámicas: g-globulinas (anticuerpos), lipoproteínas (HDL y LDL), fosfoproteínas (caseína), cromoproteínas (Hb, citocromos, clorofila), y nucleoproteínas (fibra de cromatina).
Las proteínas tienen múltiples funciones biológicas: estructural, energética (pueden proporcionar 4 Kclas/gr), transporte, hormonal, regulación del pH, etc. Una de tales funciones es imprescindible: la función biocatalizadora de los enzimas.
d) Los enzimas son proteínas (excepto los ribozimas) globulares que catalizan todas las reacciones biológicas. Se caracterizan por su gran especificidad, por no alterarse en el transcurso de la reacción y por aumentar muchísimo la velocidad de la reacción que catalizan (a veces hasta 1 millón de veces). Esta reacción enzimática se regula mediante variaciones de la temperatura, pH, concentración del sustrato (molécula sobre la que actúa el enzima), cofactores ó a través de la propia enzima: enzimas alostéricos, en los sistemas multienzimáticos, mediante un mecanismo de feed-back. Hay enzimas de tipo heteroproteínas (holoenzimas), cuyo grupo no proteico es una molécula orgánica
que se une a la parte proteínica con enlaces no covalentes. Estos grupos no proteicos se llaman coenzimas y pueden actuar separadamente del enzima en procesos biológicos muy importantes: CoA, NAD, FAD, etc.
4. Ácidos nucléicos
Son biomoléculas orgánicas que contienen siempre C, H, O, N y P, estructurados en unidades básicas llamadas nucleótidos.
a) Un nucleótido contiene tres componentes: una pentosa (ribosa ó desoxirribosa), un fosfato, y una base nitrogenada (Adenina, Citosina, Guanina, Timina ó Uracilo). Algunos de ellos actúan sin formar ácidos nucleicos, es decir, sin unirse entre sí, y su función es imprescindible: ATP, con función energética, coenzimas como el NAD, transportador de e- y H+, etc. Cuando se unen entre sí muchos mononucleótidos, mediante enlaces fosfodiéster 5' —› 3' (esta notación indica que los nucleótidos se unen entre el C5 de la pentosa de uno de ellos y el C3 de la pentosa del siguiente nucleótido), se forma un polinucleótido ó ácido nucléico.
b) DNA: ácido desoxirribonucléico. Es el material genético (en algunos virus puede ser RNA) de todos los organismos. Presenta una estructura primaria: la secuencia de bases del polinucleótido, que se agrupan funcionalmente formando genes, con grupos de bases que se expresan (exones), y grupo que no lo hacen (intrones). Cuando dos hebras de DNA se emparejan de forma antiparalela, estableciendo puentes de hidrógeno entre sus bases complementarias (A-T y C-G), y se enrollan en una doble hélice en molécula abierta (eucariotas) ó circular (procariotas), el DNA adquiere su estructura secundaria (modelo de Watson & Crick). Finalmente, el DNA se empaqueta asociándose con proteínas (normalmente histonas), en cinco niveles:
1º) Collar de perlas, formando la fibra de cromatina: DNA asociado con histonas. 2º) Enrollamiento en solenoide. 3º) Bucles de solenoides. 4º) Rosetas y rodillos. 5º) Cromosoma (sucesión de rodillos).
c) RNA: Ácido ribonucléico. Es un polinucleótido monocatenario (excepto en algunos virus) de ribosa, que se dispone en estructura primaria, aunque a veces forma estructura secundaria de doble hélice formando plegamientos con la misma cadena. Su función es traducir la información genética de los genes (DNA) a proteínas, a través del código genético. Para ello presenta tres tipos básicos de molécula:
• RNAt (de transferencia ó soluble): característico por su forma de hoja de trébol, y que contiene el triplete (grupo de tres bases) que se une con los α'αs para capturarlos en el citoplasma y transportarlos hasta los ribosomas, y el anticodón, triplete complementario de cada uno de los codones del RNAm , que sirve para leer la secuencia en el orden adecuado e ir disponiendo correctamente los α'αs de las proteínas.
• RNAm (mensajero): contiene los codones del código genético: tripletes de bases que expresan cada uno un α'αs concreto. Se irá leyendo en los ribosomas capturando consecutivamente los α'αs que ha transportado el RNAt, y disponiéndolos exactamente al reconocerse el codón del RNAm por el anticodón complementario del RNAt.
• RNAr (ribosómico): Se asocia con proteínas y forma la estructura de los ribosomas.
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En el siguiente cuestionario tipo test, elige la respuesta correcta:
1.- Los glúcidos están formados por:
a) Aminoácidos b) Monosacáridos
c) Ácidos grasos d) Nucleótidos
2.- Los monómeros que forman las proteínas se llaman:
a) Aminoácidos b) Monosacáridos
b) Ácidos grasos d) Nucleótidos
3.- ¿Cuál de las siguientes funciones no es llevada a cabo por el agua?
a) Transporte de sustancias
b) Energética
c) Capacidad de amortiguación térmica
d) Disolvente de muchas sustancias
4.- Las biomoléculas que están formadas de C, H, O, N y P son:
a) Los ácidos nucleicos b) Los glúcidos
b) Las proteínas d) Las sales minerales
5.- La sacarosa es el azúcar de caña que empleamos en nuestras casas y se trata de:
a) Un monosacárido
b) Un disacárido
c) Un polisacárido estructural
d) Un polisacárido de reserva
6.- El polisacárido de almacenamiento de energía en las células animales es:
a) La glucosa
b) La celulosa
c) El almidón
d) El glucógeno
7.- ¿Qué tipo de lípido forma parte de las membranas celulares?
a) Fosfolípidos
b) Esteroides
c) Ceras
d) Triglicéridos
8.- ¿Qué son los anticuerpos?
a) Proteínas con función de transporte
b) Lípidos con una función protectora
c) Proteínas con una función defensiva
d) Lípidos que no desempeñan ninguna función en nuestro cuerpo
9.- ¿Qué diferencia existe en la composición química del ADN y ARN?
a) En el azúcar y en que el ADN presenta timina y el ARN uracilo
b) Sólo en el azúcar, ya que el ADN presenta ribosa y el ARN desoxirribosa
c) En el azúcar y en que el ARN presenta timina y el ADN uracilo
d) Sólo en el azúcar, ya que el ARN presenta ribosa y el ADN desoxirribosa
10.- Si en un pequeño fragmento de una cadena de ADN tenemos la siguiente secuencia de bases nitrogenadas:ACACGA ¿Cuál será la secuencia en la cadena complementaria ?
a) UGUGCU
b) TGTGCT
c) ACACGA
d) Ninguna de las anteriores respuestas es verdadera
11.- ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa?
a) El ARN no tiene estructura de doble hélice
b) Los lípidos son insolubles en agua
c) Los glúcidos son solubles en agua
d) Las proteínas son utilizadas por nuestras células fundamentalmente como fuente de energía
12.- Los lípidos que tienen una función energética son:
a) Los triglicéridos b) Las ceras
c) Los fosfolípidos d) Todas las anteriores son verdaderas
13.- Las sales minerales tienen las siguientes funciones:
a) Energética y estructural
b) Energética e intervienen en una gran diversidad de procesos fisiológicos
c) Estructural e intervienen en una gran diversidad de procesos fisiológicos
d) Intervenir en una gran diversidad de procesos fisiológicos
