Componentes Fundamentales de la Vida: Bioelementos, Agua, Sales Minerales y Glúcidos

Bioelementos y Biomoléculas: Composición y Funciones

Los bioelementos son los elementos químicos que constituyen la materia viva. Aunque son comunes a la materia viva e inerte, su proporción es distinta.

Clasificación de los Bioelementos

• Primarios: Indispensables para la formación de biomoléculas (CHONPS). Representan el 96% de la materia viva.
• Secundarios: Representan aproximadamente el 2% de la materia viva. Forman sales minerales y suelen encontrarse disociados en forma de cationes y aniones. Desempeñan funciones como la formación de estructuras esqueléticas, la transmisión del impulso nervioso, la contracción muscular y el equilibrio osmótico (Mg, Ca, Cl, K, Na).
• Oligoelementos: Presentes en cantidades ínfimas, pero indispensables para la vida. Son comunes en casi todos los seres vivos (Fe, Mn, Cu, Zn, F, I, B...).

Las Biomoléculas

Las biomoléculas se clasifican en inorgánicas y orgánicas:

• Biomoléculas inorgánicas: agua y sales minerales.
• Biomoléculas orgánicas: formadas por cadenas de carbono. Incluyen:
  • Glúcidos: monosacáridos, disacáridos, etc.
  • Lípidos: ácidos grasos, glicerol/grasas.
  • Proteínas: aminoácidos.
  • Ácidos nucleicos: nucleótidos.

El Agua

El agua representa aproximadamente el 75% de la masa celular total. Se presenta en tres formas:

• Estructural: Forma parte de las estructuras citoplasmáticas. Puede perderse por deshidratación (y recuperarse).
• Metabólica: Forma parte de las estructuras moleculares. No se pierde.
• Circulante: Agua que se renueva. Transporta nutrientes y desechos disueltos.

Estructura del Agua Líquida

Debido a su comportamiento dipolar, las moléculas de agua se encuentran unidas por enlaces de hidrógeno. Estos enlaces le confieren propiedades únicas.

La estructura del agua líquida se comporta como una red extensa y flexible, donde se producen agrupamientos de moléculas que duran fracciones de segundo y se reorganizan constantemente.

Propiedades del Agua

Funciones del Agua

Sales Minerales

Las sales minerales son el resultado de una reacción ácido-base:

HCl + NaOH → NaCl + H2O

(ácido) (base) (sal) (agua)

Tipos y Funciones de las Sales Minerales

• Los sistemas tampón más importantes son el carbonato-bicarbonato y monofosfato-bifosfato.

Difusión, Diálisis y Ósmosis

Difusión

Distribución homogénea de las partículas de un soluto en un disolvente. Se produce el paso por difusión de soluto y de disolvente hasta que ambas disoluciones igualan sus concentraciones.

• Membrana permeable o ausencia de membrana.
• Pasan agua y solutos.
• De la disolución más concentrada a la más diluida.

Diálisis

• Membrana permeable al agua y a partículas no coloidales.
• Pasan agua y solutos no coloidales.
• De la disolución más concentrada a la más diluida.

Ósmosis

• Membrana semipermeable, que no permite el paso de solutos.
• Pasa solo agua.
• De la disolución más diluida a la más concentrada.

Glúcidos

Clasificación de los Glúcidos

Los glúcidos, también llamados azúcares o hidratos de carbono, son biomoléculas orgánicas formadas por C, H y O. Son polihidroxialdehídos (polialcoholes con función aldehído) o polihidroxicetonas (polialcoholes con función cetona). Se clasifican en dos tipos principales:

• Osas o Monosacáridos
• Ósidos

Osas o Monosacáridos

Son las unidades o monómeros que forman los demás glúcidos. Sus moléculas tienen de tres a siete átomos de carbono, presentan la fórmula empírica C_n(H₂O)_n, y no son hidrolizables. Ejemplos: ribosa, glucosa, galactosa y fructosa.

Ósidos

Se forman por la unión de dos o más monosacáridos mediante el enlace O-glucosídico. Se dividen en dos grupos:

• Holósidos: Formados solo por la unión de monosacáridos. Se subdividen en:
  • Oligosacáridos: Compuestos por un número de monosacáridos de entre dos y diez. Los más importantes son los disacáridos (dos monosacáridos). Ejemplos: sacarosa, lactosa y maltosa.
  • Polisacáridos: Formados por más de diez monosacáridos. Pueden ser:
    • Homopolisacáridos: Formados por un solo tipo de monosacárido. Ej: almidón, glucógeno y celulosa.
    • Heteropolisacáridos: Formados por más de un tipo de monosacárido. Ej: ácido hialurónico, hemicelulosa y pectinas.
• Heterósidos: Formados por monosacáridos y otros compuestos no glucídicos. Destacan: glucoproteínas, glucolípidos y peptidoglucano.

Monosacáridos

Son polialcoholes que tienen un grupo aldehído (-HC=O) (aldosas) o bien un grupo cetona (-C=O) (cetosas). Según el número de átomos de carbono, se clasifican en: triosas (3), tetrosas (4), pentosas (5), hexosas (6), etc.

Propiedades Físicas de los Monosacáridos

• Unidad básica no hidrolizable.
• Sólidos cristalinos blanquecinos, solubles en agua (debido a sus enlaces polares) e insolubles en disolventes orgánicos.
• Sabor dulce.
• Funciones energéticas dentro de la célula.
• Presentan isomería espacial o estereoisomería.

Isomería Espacial o Estereoisomería

Los estereoisómeros tienen la misma fórmula química pero diferente estructura (solo se diferencian en la orientación espacial de los átomos que los constituyen). Este tipo de isomería aparece cuando el compuesto tiene un átomo de carbono asimétrico o quiral (C*), es decir, un átomo de carbono con cuatro radicales diferentes.

Hay dos tipos de estereoisómeros:

• Enantiómeros o Enantiomorfos
• Epímeros

Enantiómeros

Son estereoisómeros en los que uno es la imagen especular del otro. Presentan las mismas propiedades físicas y químicas, pero distinta actividad óptica. Existen dos isómeros ópticos:

• Isómero dextrógiro: Gira el plano de luz polarizada hacia la derecha (giro dextrógiro, sentido horario) (+).
• Isómero levógiro: Gira el plano de luz polarizada hacia la izquierda (giro levógiro, sentido antihorario) (-).

Hay enantiómeros de configuración D y L, según la posición del grupo -OH del último carbono asimétrico.

Epímeros

Los epímeros son estereoisómeros que se distinguen por la configuración espacial de *uno solo* de sus carbonos asimétricos. *No* son imágenes especulares. En los glúcidos, para cada enantiómero (D o L), existe una familia de epímeros que se diferencia en la posición del grupo hidroxilo (—OH) de un carbono asimétrico distinto al último (el más alejado del grupo carbonilo). Un ejemplo es la D-galactosa, que es epímera de la D-glucosa en el carbono 4.

Los epímeros, a diferencia de los enantiómeros, presentan *diferentes* propiedades físicas y químicas.

Propiedades Químicas de los Monosacáridos

• Tienen poder reductor, debido a la presencia del grupo carbonilo.

Ósidos: Enlaces Glucosídicos

• Surgen cuando reacciona un -OH hemiacetálico o hemicetálico con un grupo hidroxilo (-OH) o un grupo amino (-NH₂).
• Se pierde una molécula de agua y se forma un ósido o glucósido.
• El enlace se llama O-glucosídico si la reacción es con un grupo hidroxilo, y N-glucosídico si es con un grupo amino.
• Se distingue entre enlaces α y β, según la configuración del carbono anomérico.

Glicona: Componente glucídico. Responsable de la solubilidad del glucósido.

Aglicona: Componente que reacciona con el carbono anomérico (C1). Responsable de las propiedades biológicas.

• Si la aglicona es un glúcido, se forma un holósido.
• Si la aglicona es otro compuesto, se forma un heterósido.

Cuando se crea un enlace glucosídico, los monosacáridos sufren los siguientes cambios:

• El carbono anomérico pierde su carácter reductor.
• Se estabiliza la forma anomérica (α o β) y ya no se observa el fenómeno de mutarrotación. Se queda como α-glucósido o β-glucósido.

El enlace glucosídico se puede romper mediante hidrólisis ácida o por acción de las enzimas glucosidasas, que son específicas para enlaces α (α-glucosidasas) o para enlaces β (β-glucosidasas).

Tipos de Enlaces Glucosídicos

Oligosacáridos

Nomenclatura de los Disacáridos

• Enlace monocarbonílico: Se escribe el primer monosacárido con la terminación -osil y, a continuación, entre paréntesis, el número de los carbonos que participan en el enlace, seguido del nombre del segundo monosacárido, terminado en -osa. Por ejemplo: α-D-glucopiranosil (1→4) α-D-glucopiranosa (maltosa).
• Enlace dicarbonílico: La nomenclatura es la misma, excepto que el sufijo del segundo monosacárido es -ósido. Por ejemplo: α-D-glucopiranosil (1→2) β-D-fructofuranósido (sacarosa).

Propiedades de los Oligosacáridos

Holósidos: Polisacáridos

Los enlaces α están relacionados con la reserva energética, mientras que los enlaces β suelen tener función estructural.

Propiedades de los Polisacáridos

Polisacáridos de Interés Biológico

• Homopolisacáridos: almidón, glucógeno, celulosa y quitina.

Almidón

• Formado por α-D-glucopiranosas unidas mediante enlaces α (1→4) y α (1→6).
• Compuesto por amilosa y amilopectina, que forman los granos de almidón. Estos se acumulan en los amiloplastos, donde constituyen la principal reserva energética vegetal.
• Con lugol, la amilosa se tiñe de azul violáceo y la amilopectina de rojo violáceo.

Glucógeno

• α-glucano: unión de moléculas de α-D-glucopiranosa mediante enlaces α (1→4) y α (1→6).
• Los enlaces α (1→6) permiten ramificaciones, que favorecen la hidrólisis en moléculas de glucosa.
• Se almacena en las células musculares y hepáticas de los animales, constituyendo la principal reserva energética animal.
• Hidrolizable por las enzimas α-glucosidasas.
• Con lugol se tiñe de rojo oscuro.

Celulosa

• β-glucano: moléculas de β-D-glucopiranosa unidas mediante enlaces β (1→4).
• Estas cadenas se asocian mediante enlaces de hidrógeno y forman microfibrillas, que a su vez se reúnen para formar fibrillas. Estas últimas constituyen las fibras de celulosa.
• Tiene función estructural y es el principal componente de las paredes de las células vegetales.

Quitina

• β-glucano formado por la polimerización lineal y no ramificada de numerosas moléculas de N-acetil-β-D-glucosamina (NAG).
• Tiene función estructural: forma el exoesqueleto de los artrópodos y las paredes celulares de los hongos.