Biomoléculas Fundamentales: Estructura, Propiedades y Rol en los Seres Vivos

El Agua: Biomolécula Esencial para la Vida

Estructura y Polaridad del Agua

El agua es la biomolécula inorgánica más abundante en los seres vivos y el componente principal en peso. Su fórmula es H₂O y está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno unidos mediante enlaces covalentes. Tiene estructura angular (en forma de V) y es una molécula dipolar, es decir, aunque tiene carga neutra total, presenta una distribución desigual de cargas: el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, por lo que atrae con más fuerza a los electrones compartidos, generando una carga parcial negativa en el oxígeno y una carga parcial positiva en los hidrógenos.

Esta polaridad permite que las moléculas de agua se unan entre sí mediante puentes de hidrógeno, que se forman cuando el átomo de hidrógeno, unido covalentemente a un átomo electronegativo, se atrae a otro átomo electronegativo cercano (como oxígeno o nitrógeno). Cada molécula de agua puede formar hasta cuatro puentes de hidrógeno, lo que le confiere una estructura reticular dinámica y muchas propiedades físicas extraordinarias.

Propiedades Físicas Derivadas de la Estructura del Agua

• Acción disolvente: Disuelve sustancias polares e iónicas. Las moléculas hidrofílicas interactúan fácilmente con el agua, mientras que las hidrofóbicas la repelen. Las sustancias anfipáticas tienen regiones polares e impolares.
• Fuerza de cohesión: Los puentes de hidrógeno mantienen unidas a las moléculas de agua, confiriéndole una estructura compacta e incompresible. Esto proporciona turgencia en las plantas y permite fenómenos como el esqueleto hidrostático.
• Alta tensión superficial: Resultado de la cohesión entre moléculas, permite que insectos caminen sobre la superficie del agua.
• Alto calor específico: El agua necesita absorber mucha energía para aumentar su temperatura, actuando como un regulador térmico o tampón térmico en los organismos.
• Alto calor de vaporización: Requiere mucha energía para pasar de líquido a gas, lo que permite eliminar calor por evaporación (por ejemplo, sudor).
• Menor densidad en estado sólido que en estado líquido: Al congelarse, las moléculas se organizan en una estructura reticular abierta, haciendo que el hielo flote sobre el agua.

Funciones Biológicas del Agua

• Medio donde ocurren las reacciones metabólicas dentro de las células.
• Medio de transporte de nutrientes y eliminación de desechos en el entorno extracelular.
• Interviene en la regulación térmica.
• Forma parte de la estructura de las células.
• Facilita el movimiento de sustancias por sus propiedades adhesivas y cohesivas.

Glúcidos: La Glucosa como Ejemplo Clave

Descripción de la D-Glucosa

La molécula representada corresponde a una hexosa en forma ciclada, concretamente la D-glucosa en proyección de Haworth, la cual ha formado un anillo de seis miembros (piranosa) como resultado del enlace hemiacetálico entre el grupo aldehído del carbono 1 y el grupo hidroxilo del carbono 5. Es un monosacárido perteneciente al grupo de las osas, con fórmula molecular C₆H₁₂O₆. Presenta isomería de función, ya que con la misma fórmula molecular existe la fructosa, que es una cetohexosa, es decir, una cetona polihidroxilada. También presenta isomería espacial o estereoisomería debido a la presencia de carbonos asimétricos (todos los carbonos excepto el primero y el sexto), siendo la regla que una molécula con “n” carbonos asimétricos puede presentar 2ⁿ estereoisómeros; por lo tanto, la glucosa, al tener 4 carbonos asimétricos, puede presentar 16 estereoisómeros. Además, al ciclarse, se genera un nuevo carbono quiral en el carbono 1, lo que da lugar a los dos anómeros α y β. Un isómero espacial de la glucosa es la D-galactosa, que difiere en la orientación del grupo –OH del carbono 4. Un isómero de función es la D-fructosa, una cetohexosa que en su forma ciclada forma un anillo furanósico por el enlace entre el grupo cetona del carbono 2 y el –OH del carbono 5. Todo esto está explicado en el tema 2, donde se desarrolla la estructura, ciclación, isomería y clasificación de los glúcidos.

Ácidos Nucleicos: Comparativa entre ADN y ARN

Disacáridos: La Sacarosa

Estructura y Propiedades de la Sacarosa

La molécula representada en la imagen es la sacarosa, un disacárido formado por la unión de una molécula de glucosa y una de fructosa. La glucosa se presenta en su forma α-D-glucopiranosa y la fructosa en su forma β-D-fructofuranosa. El enlace que une ambas unidades es un enlace O-glucosídico del tipo α(1→2)β, ya que une el carbono 1 anomérico de la glucosa con el carbono 2 anomérico de la fructosa, lo que implica que los dos carbonos implicados en el enlace son anoméricos, impidiendo la apertura de la cadena y, por tanto, la sacarosa no tiene poder reductor. Según el tema 2, la sacarosa es un oligosacárido, concretamente un disacárido clasificado como holósido, ya que está formada exclusivamente por monosacáridos. Es soluble en agua, cristalizable y dulce, y se encuentra de forma natural en la caña de azúcar y en la remolacha. Se hidroliza fácilmente en presencia de una enzima específica (invertasa) o en medio ácido, dando lugar a sus dos monosacáridos constituyentes. La ausencia de poder reductor la diferencia de otros disacáridos como la maltosa o la lactosa, que sí poseen un carbono anomérico libre. Esta información está detallada en la sección dedicada a los disacáridos del tema de los glúcidos.

Lípidos: Diversidad y Funciones

Tipos Principales de Lípidos

• Ácidos grasos: Cadenas hidrocarbonadas con un grupo carboxilo. Un ejemplo es el ácido palmítico.
• Acilglicéridos: Ésteres de la glicerina con ácidos grasos, clasificados en mono-, di- y triglicéridos. Son los lípidos más abundantes en la naturaleza; un ejemplo es un triglicérido presente en las células adiposas.
• Céridos o ceras: Formados por ácidos grasos y alcoholes de cadena larga. Un ejemplo es la cera producida por las abejas.
• Lípidos de membrana: Incluyen fosfolípidos, como la fosfatidilcolina, que tienen una cabeza hidrofílica con grupo fosfato y colas hidrofóbicas; y glucolípidos, donde el tercer carbono de la glicerina lleva una cadena de carbohidrato, un ejemplo es un glucolípido de membrana con función de reconocimiento celular.
• Esteroides: Derivados del ciclopentanoperhidrofenantreno. Un ejemplo es el colesterol, que da rigidez a las membranas celulares y es precursor de hormonas.
• Isoprenoides o terpenos: Presentes en vegetales como pigmentos y aromas. Un ejemplo es un precursor de la vitamina.

Ácidos Grasos: Saturados e Insaturados

Los ácidos grasos se dividen en dos tipos: saturados e insaturados. Los ácidos grasos saturados no presentan dobles enlaces entre los carbonos de la cadena hidrocarbonada, lo que permite que las moléculas se empaqueten de forma compacta mediante fuerzas de Van der Waals; tienen una naturaleza aceitosa y suelen ser sólidos a temperatura ambiente. Su fórmula general es CH₃–(CH₂)_n–COOH. Los ácidos grasos insaturados tienen uno o más dobles enlaces en su cadena hidrocarbonada, lo que introduce curvaturas que impiden su empaquetamiento ordenado, haciendo que sean líquidos a temperatura ambiente. Su fórmula general es CH₃–(CH₂)_x–CH=CH–(CH₂)_y–COOH. Los ácidos grasos presentan bipolaridad, ya que la cadena hidrocarbonada es hidrófoba y el grupo carboxilo es hidrófilo, lo que les da propiedades anfipáticas.

Conceptos Fundamentales en Bioquímica

Monómero:

Molécula de bajo peso molecular capaz de unirse químicamente con otras moléculas iguales para formar una molécula de gran peso molecular llamada polímero.

Polímero:

Resultado de la unión repetida de muchos monómeros mediante un proceso llamado polimerización, en el que se forman cadenas lineales o estructuras tridimensionales.

Molécula:

Agrupación de dos o más átomos unidos por enlaces químicos, que puede ser simple o compleja.

Biomolécula:

Molécula presente en los seres vivos formada por la combinación de bioelementos mediante enlaces químicos, y puede ser inorgánica (agua, sales, gases) u orgánica (glúcidos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos). Las biomoléculas orgánicas más complejas como proteínas y ácidos nucleicos son polímeros formados por monómeros (aminoácidos y nucleótidos).

Enlace Covalente:

Tipo de enlace químico fuerte en el que dos átomos comparten uno o más pares de electrones, siendo el principal tipo de enlace en la formación de biomoléculas, ya que proporciona estabilidad y permite la formación de estructuras complejas.

Isomería y Carbono Asimétrico

Tipos de Isomería

La isomería es la propiedad que presentan algunas moléculas de tener la misma fórmula empírica pero diferente estructura, lo que les otorga propiedades físicas o químicas distintas. Existen varios tipos de isomería:

• La isomería de función, donde las moléculas difieren en el tipo de grupo funcional, como ocurre entre la glucosa (aldohexosa) y la fructosa (cetohexosa).
• La isomería espacial o estereoisomería, donde las moléculas tienen la misma fórmula pero diferente disposición tridimensional, como entre la D-glucosa y la D-galactosa.
• La isomería óptica, donde los isómeros son imágenes especulares no superponibles y desvían la luz polarizada en diferentes direcciones, como la forma dextrógira y levógira de la glucosa.
• Además, la isomería anomérica se da en los monosacáridos cíclicos, como en la α-glucosa y la β-glucosa, que difieren en la orientación del grupo –OH en el carbono anomérico.

El Carbono Asimétrico

Un carbono asimétrico es aquel que está unido a cuatro radicales diferentes, lo que le confiere una disposición espacial única y la capacidad de originar isómeros espaciales. Este tipo de carbono es fundamental en la isomería óptica y espacial de los monosacáridos, ya que su presencia permite la existencia de estereoisómeros.

Proteínas: Estructura y Funciones Vitales

Las proteínas son macromoléculas formadas por la unión lineal de aminoácidos mediante enlaces peptídicos, que se establecen entre el grupo amino de un aminoácido y el grupo carboxilo de otro, liberando una molécula de agua.

Estructura de las Proteínas

La estructura de las proteínas se organiza en cuatro niveles:

• La estructura primaria es la secuencia específica de aminoácidos en la cadena polipeptídica.
• La estructura secundaria se refiere a la disposición local de la cadena en formas como la alfa hélice o la beta plegada, estabilizadas por puentes de hidrógeno entre los grupos C=O y NH.
• La estructura terciaria es el plegamiento tridimensional global de la cadena como resultado de las interacciones entre los grupos R de los aminoácidos, lo que da lugar a estructuras globulares o fibrosas.
• La estructura cuaternaria aparece cuando varias cadenas polipeptídicas se asocian para formar una proteína funcional, como ocurre en la hemoglobina.

Características y Funciones de las Proteínas

Las proteínas presentan características como solubilidad, que depende del pH y la disposición de sus cadenas laterales; especificidad, determinada por la secuencia de aminoácidos; y la capacidad de desnaturalizarse al perder su estructura secundaria y terciaria por acción de agentes físicos o químicos. Las funciones de las proteínas son múltiples:

• Catalítica (enzimas)
• Reguladora (hormonas como la insulina)
• Estructural (membranas celulares)
• Transporte (hemoglobina)
• Reserva (ferritina)
• Movimiento (miosina y actina)
• Defensa (anticuerpos)

Estas propiedades y funciones hacen que las proteínas sean las macromoléculas con mayor número de funciones en los seres vivos.

Aminoácidos: Los Bloques Constructores de Proteínas

Estructura y Clasificación de los Aminoácidos

Los aminoácidos son las unidades básicas que forman las proteínas. Son compuestos orgánicos que contienen un grupo amino (–NH₂) y un grupo carboxilo (–COOH) unidos al mismo átomo de carbono, denominado carbono α, que también está enlazado a un hidrógeno y a una cadena lateral o grupo R que determina las propiedades específicas de cada aminoácido. Esta estructura básica es común en todos los aminoácidos que forman proteínas, y debido a que el carbono α está unido a cuatro grupos distintos, la mayoría de los aminoácidos son asimétricos y presentan isomería óptica.

Existen 20 aminoácidos que participan en la síntesis proteica, y se clasifican en dos tipos según su obtención:

• Los aminoácidos no esenciales, que el organismo puede sintetizar, y entre ellos están alanina, prolina, glicina, serina, cisteína, asparagina, glutamina, tirosina, ácido aspártico y ácido glutámico.
• Los aminoácidos esenciales, que no pueden sintetizarse y deben obtenerse a través de la dieta, como fenilalanina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptófano, valina, arginina e histidina.

La unión de aminoácidos se realiza mediante enlaces peptídicos, liberando agua y formando largas cadenas que se pliegan para constituir las distintas estructuras de las proteínas.