Componentes Esenciales de la Vida: Bioelementos y Biomoléculas Orgánicas

Bioelementos: Los Ladrillos de la Vida

Bioelementos Primarios

Constituyen aproximadamente el 96% de la materia viva. Incluyen:

• Carbono (C)
• Hidrógeno (H)
• Oxígeno (O)
• Nitrógeno (N)
• Fósforo (P)
• Azufre (S)

Bioelementos Secundarios

Representan cerca del 3.9% de la materia viva. Incluyen:

• Calcio (Ca)
• Sodio (Na)
• Potasio (K)
• Cloro (Cl)
• Yodo (I)
• Magnesio (Mg)
• Hierro (Fe)

Oligoelementos

Componen solo el 0.1% de la materia viva, pero son esenciales. Incluyen:

• Cobre (Cu)
• Zinc (Zn)
• Manganeso (Mn)
• Cobalto (Co)
• Molibdeno (Mo)
• Níquel (Ni)
• Silicio (Si)

Biomoléculas: Las Moléculas de la Vida

Las biomoléculas orgánicas tienen características fundamentales:

• Su base estructural es el carbono.
• Forman enlaces covalentes estables.
• El carbono puede formar enlaces hasta con 4 átomos diferentes.
• Pueden formar enlaces simples, dobles y triples.
• Adoptan estructuras tridimensionales complejas.
• Pueden formar largas cadenas carbonadas (polímeros).

Carbohidratos (Glúcidos o Hidratos de Carbono)

Son compuestos orgánicos formados principalmente por Carbono (C), Hidrógeno (H) y Oxígeno (O). Su unidad básica son los monosacáridos (ej. glucosa).

Clasificación según el número de azúcares:

• Monosacáridos: 1 unidad de azúcar (ej. glucosa, fructosa).
• Disacáridos: 2 unidades de azúcar (ej. sacarosa, lactosa).
• Oligosacáridos: 3 a 10 unidades de azúcar.
• Polisacáridos: Más de 10 unidades de azúcar. Están compuestos por la unión de muchos monómeros (monosacáridos).

Funciones Principales:

• Energética a corto plazo: Fuente principal de energía rápida para las células.
• Reserva energética: Almacenamiento de energía (glucógeno en animales, almidón en plantas).
• Estructural: Forman parte de estructuras celulares y tejidos (celulosa en plantas, quitina en hongos y artrópodos).

Tipos de Carbohidratos:

• Carbohidratos Complejos: Suministran energía de forma más gradual, además de vitaminas, minerales y fibra (ej. almidón, celulosa).
• Carbohidratos Simples: Proporcionan energía rápida, pero carecen de otros nutrientes (ej. azúcares refinados).

Disacáridos:

Se forman por la unión de dos monosacáridos mediante un enlace glucosídico, liberando una molécula de agua (reacción de condensación). Proporcionan energía.

Polisacáridos Importantes:

• Quitina: Función estructural en la pared celular de hongos y el exoesqueleto de artrópodos. Formada por unidades de N-acetilglucosamina (derivado de la glucosa).
• Glucógeno: Polisacárido de reserva energética en animales (incluyendo humanos). Se almacena principalmente en el hígado y los músculos. Es un polímero de glucosa muy ramificado.
• Celulosa: Principal componente estructural de la pared celular de las plantas. Es un polímero lineal de glucosa.
• Almidón: Principal polisacárido de reserva energética en plantas (ej. papa, cereales). Es un polímero de glucosa.

Enlaces Glucosídicos:

• Enlace Alfa (α)-glucosídico: Presente en el almidón y el glucógeno. Permite estructuras helicoidales y ramificadas, accesibles para la digestión energética.
• Enlace Beta (β)-glucosídico: Presente en la celulosa y la quitina. Permite estructuras lineales y fibrosas, muy resistentes y difíciles de digerir para muchos animales.

Diferencia clave: La glucosa proporciona energía inmediata, mientras que el glucógeno (y el almidón) actúa como reserva de energía a largo plazo.

Otros Componentes Celulares

Vaina de Mielina

Estructura que rodea los axones neuronales, compuesta principalmente por lípidos y proteínas.

Proteínas: Moléculas Versátiles

Son macromoléculas orgánicas compuestas fundamentalmente por Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O), Nitrógeno (N) y, a menudo, Azufre (S). Están formadas por la unión de unidades básicas llamadas aminoácidos mediante enlaces peptídicos.

Para fabricar las proteínas celulares, los organismos necesitan un suministro adecuado de aminoácidos esenciales (aquellos que no pueden sintetizar).

Funciones Diversas:

• Estructural: Forman estructuras de soporte y protección (ej. queratina en pelo y uñas, colágeno en tejido conectivo).
• Reguladora: Actúan como hormonas y reguladores de procesos fisiológicos (ej. insulina, hormona del crecimiento).
• Transportadora: Transportan sustancias por el organismo (ej. hemoglobina transporta oxígeno).
• Inmunológica: Defienden al organismo (ej. anticuerpos).
• Enzimática: Actúan como catalizadores biológicos, acelerando reacciones químicas (ej. pepsina en la digestión).

Enlace Peptídico:

Es un enlace covalente que se forma por una reacción de condensación entre el grupo carboxilo (-COOH) de un aminoácido y el grupo amino (-NH2) de otro. En esta reacción se libera una molécula de agua.

Las proteínas constituyen aproximadamente el 50% del peso seco de las células.

Aminoácidos:

Existen un gran número de aminoácidos en la naturaleza, pero solo 20 forman parte de las proteínas en los seres vivos. Muchos organismos, incluidos los humanos, no somos capaces de sintetizar todos los aminoácidos necesarios (aminoácidos esenciales) y debemos obtenerlos de la dieta.

Los aminoácidos se unen secuencialmente mediante enlaces peptídicos para formar cadenas polipeptídicas.

Niveles de Estructura Proteica:

• Estructura Primaria: Secuencia lineal de aminoácidos en la cadena polipeptídica (mínimo unos 10 aminoácidos para considerarse polipéptido/proteína).
• Estructura Secundaria: Plegamiento regular de la cadena polipeptídica sobre sí misma, estabilizado por puentes de hidrógeno (ej. hélice alfa, lámina beta). Adopta una disposición tridimensional inicial.
• Estructura Terciaria: Plegamiento complejo de la estructura secundaria sobre sí misma, formando la estructura tridimensional global de una única cadena polipeptídica. Se debe a interacciones entre los grupos R de los aminoácidos (puentes disulfuro, interacciones iónicas, hidrofóbicas, etc.).
• Estructura Cuaternaria: Unión de dos o más cadenas polipeptídicas (subunidades) para formar una proteína funcional compleja (ej. la hemoglobina, que contiene 4 subunidades y átomos de hierro).

Desnaturalización:

Es la pérdida de las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria de una proteína, lo que conlleva la pérdida de su función biológica. Puede ser causada por factores como cambios extremos de temperatura (T), pH, concentración de sales o la presencia de venenos. Cuando uno de estos factores cambia significativamente, se alteran las interacciones que mantienen la estructura tridimensional de las proteínas (incluyendo las enzimas), provocando que se desnaturalicen e inhiban los procesos en los que intervienen. Este proceso puede ser irreversible.

Metabolismo: Anabolismo y Catabolismo

• Anabolismo: Proceso metabólico donde moléculas sencillas se utilizan para formar moléculas más complejas, consumiendo energía.
• Catabolismo: Proceso metabólico donde moléculas complejas se rompen para liberar moléculas más pequeñas y energía.

Enzimas: Catalizadores Biológicos

Las enzimas, en su mayoría proteínas con estructura tridimensional específica, catalizan las reacciones químicas en los seres vivos.

• Disminuyen la energía de activación necesaria para que ocurra una reacción.
• Aumentan significativamente la velocidad de las reacciones químicas.

Funcionan como catalizadores orgánicos altamente eficientes. El correcto funcionamiento del proceso metabólico se asegura gracias a tres características clave de las enzimas:

• Alto poder catalítico: Gran capacidad para acelerar reacciones.
• Especificidad: Cada enzima actúa generalmente sobre un sustrato o un tipo de reacción específica.
• Regulación: Su actividad puede ser regulada (activada o inhibida) para controlar las rutas metabólicas.

Lípidos: Moléculas Energéticas y Estructurales

Son un grupo diverso de biomoléculas orgánicas compuestas principalmente por Carbono (C), Hidrógeno (H) y Oxígeno (O), aunque la proporción de oxígeno es menor que en los carbohidratos. Algunos lípidos también contienen Fósforo (P) y Nitrógeno (N).

Característica principal: Son insolubles en agua y solubles en disolventes orgánicos (apolares).

La unidad básica de muchos lípidos son los ácidos grasos, que pueden unirse a una molécula de glicerol mediante enlace éster.

Clasificación General:

• Lípidos Saponificables: Contienen ácidos grasos y pueden formar jabones mediante reacción con álcalis (saponificación).
  • Simples: Compuestos solo por C, H, O (ej. grasas - triglicéridos, ceras).
  • Complejos: Además de C, H, O, contienen otros elementos como P o N (ej. fosfolípidos, glucolípidos).
• Lípidos Insaponificables: No contienen ácidos grasos y no pueden formar jabones.
  • Esteroides (ej. colesterol, hormonas sexuales).
  • Terpenos (ej. vitaminas A, E, K, carotenoides).
  • Prostaglandinas (derivados de ácidos grasos con función reguladora).

Función Principal:

Actúan como reserva energética a largo plazo tanto en animales (grasas) como en vegetales (aceites).

Lípidos Saponificables Detallados:

• Grasas (Triglicéridos): Formados por glicerol unido a tres ácidos grasos. Principal forma de almacenamiento de energía.
• Ceras: Formadas por un ácido graso de cadena larga unido a un alcohol de cadena larga. Tienen función protectora e impermeabilizante.
• Ácidos Grasos Saturados: Carecen de dobles enlaces en su cadena hidrocarbonada. Se encuentran predominantemente en las grasas de origen animal y suelen ser sólidos a temperatura ambiente (ej. manteca, mantequilla).
• Fosfolípidos: Son los principales componentes estructurales de las membranas celulares. Son moléculas anfipáticas, con:
  • Una porción apolar (hidrófoba): las cadenas de ácidos grasos.
  • Una porción polar (hidrófila): el grupo fosfato y lo que esté unido a él.
  Estructura básica: Glicerol + 2 ácidos grasos + Grupo fosfato (+ un alcohol o aminoalcohol como la colina). Esto forma una "cabeza" hidrofílica y una "cola" hidrofóbica. (Ej. Colina + Fosfato + Glicerol forman parte de la cabeza hidrofílica en la fosfatidilcolina).

Lípidos Insaponificables Detallados:

• Esteroides: Lípidos cuya estructura característica se basa en cuatro anillos de carbono fusionados.
  • El esteroide más conocido es el colesterol.
  • El colesterol es un componente importante de las membranas celulares animales y es precursor de hormonas sexuales (testosterona, estrógenos), hormonas suprarrenales (cortisol, aldosterona) y sales biliares.
  • Estructura del colesterol: Los 4 anillos de carbono unidos entre sí y una cadena hidrocarbonada unida a uno de los anillos.