Fundamentos de Bioquímica: Estructura Molecular, Proteínas y Equilibrio Acuoso

Bioelementos y Biomoléculas

Los bioelementos son 30 elementos esenciales. Los principales son CHON (99% de la masa celular), P, S, Na, K, Cl. Los oligoelementos (Fe, Mn, Mg, Zn, Se) son necesarios para la actividad de ciertas proteínas. El CO2 produce efecto invernadero. El CO interfiere en la capacidad de la hemoglobina para transportar O2.

Las biomoléculas se componen en base a un esqueleto de carbono al que se le unen grupos funcionales, lo que determina sus propiedades químicas.

Componentes de la Célula Eucariota

La célula eucariota presenta:

• Núcleo: Contiene el ADN.
• Nucléolo: Síntesis de ribosomas.
• Aparato de Golgi: Modifica lípidos y proteínas que son enviadas a su destino.
• Lisosomas: Digestión de macromoléculas mediante enzimas.
• Membrana Plasmática (MP): Funciones de transporte (atraviesan la membrana), recepción (receptores de superficie) y canales iónicos.
• Mitocondrias: Oxidan alimentos para producir ATP.
• Citoesqueleto: Incluye microfilamentos (actina), microtúbulos (tubulina) y filamentos intermedios.

Aminoácidos (Aác)

Los aminoácidos (Aác) poseen un grupo amino y un grupo carboxilo, ubicados en el carbono alfa (Cα). Hay 20 Aác comunes que forman parte de las proteínas y tienen un código de 3 letras.

Clasificación y Propiedades de los Aminoácidos

Los Aác se clasifican según sus propiedades y su grupo R:

• Apolares alifáticos: Leucina, Metionina.
• Polar sin carga: Glutamina.
• Aromáticos: Fenilalanina.
• Cargado positivamente: Arginina.
• Cargado negativamente: Aspartato.

Los Aác no estándar pueden ser componentes importantes de proteínas y péptidos, resultado de una modificación de un residuo aminoacídico.

Los Aác tienen actividad biológica: 1) función proteica, 2) función no proteica (ej. neurotransmisores). Los Aác son anfóteros (ácidos-base); a pH 7 actúan con carga positiva y negativa. Se unen por enlace peptídico, perdiendo una molécula de agua. Nomenclatura: 3 Aác, 2 enlaces peptídicos = tripéptido. Diez de los 20 Aác son esenciales y deben obtenerse por la dieta.

Estereoquímica

La estereoquímica estudia la disposición espacial de los átomos pertenecientes a una molécula y cómo esto afecta sus propiedades y reactividad. También se define como el estudio de los isómeros: compuestos químicos con la misma fórmula molecular, pero con diferentes fórmulas estructurales. Los isómeros se clasifican en estructurales y estereoisómeros.

Estructura Proteica

Las proteínas se clasifican en globulares, fibrosas, transmembranas y de unión a ADN.

Niveles Estructurales

Hay 4 niveles de estructura proteica:

1. Primaria: Secuencia lineal de aminoácidos. La secuencia de Aác se lee de N-terminal a C-terminal. El enlace peptídico es plano y rígido.
2. Secundaria: Estructura local de algunas partes del polipéptido.

• Alfa hélice: Los grupos R se encuentran al exterior de la hélice. No hay espacio dentro de la hélice (gran empaquetamiento). Los puentes de H están paralelos al eje. Los últimos 4 residuos de Aác se unen por 1 Aác.
• Hoja beta: Estructura plegada. Puede ser paralela (estructuras largas) o antiparalela (estructuras cortas).
• Giros beta: Conexión entre hélice alfa y lámina beta (generalmente 4 Aác).

Terciaria: Estructura 3D. Resultado del empaquetamiento de cadenas de polipéptidos en estructuras 3D.

• Motivo: Patrón de plegamiento característico para varias proteínas.
• Dominio: Región que puede plegarse de forma independiente.

Cuaternaria: Organización de las subunidades. Presentan subunidades unidas por interacciones no covalentes (diferentes cadenas).

Tipos de Proteínas

• Proteínas Fibrosas: Son estructurales, insolubles en agua y soluciones salinas. Presentan un solo tipo de estructura secundaria (ej: Queratina del cabello, lámina de seda, Colágeno).
• Proteínas Globulares: Varios tipos de estructuras secundarias, solubles en agua y salinas (ej: enzimas, proteínas reguladoras, Hemoglobina, Mioglobina).

Grupos Funcionales

Los grupos funcionales confieren a la molécula características específicas. Todas las moléculas que tengan el mismo grupo funcional actuarán químicamente de manera similar.

Clasificación de Grupos Funcionales

• Funciones Oxigenadas: Alcohol (se obtienen por oxidación de hidrocarburos alifáticos, forman puentes de H con el agua), Aldehído, Cetona.
• Funciones Nitrogenadas: Amina, Amida, Nitrilo.
• Funciones Azufradas: Sulfhidrilo, Disulfuro.
• Funciones Fosfatadas: Fosforilo, Fosfoanhidro.

Los aldehídos se oxidan a ácidos carboxílicos. Las cetonas no se oxidan con facilidad.

Agua, pH y Equilibrios Iónicos

Propiedades del Agua

El agua constituye el 70% del total de los seres vivos; las actividades biológicas ocurren en medio acuoso.

Los puentes de hidrógeno (P de H) son más débiles que el enlace covalente. Una molécula de H₂O puede atraer hasta 4 moléculas más. El agua posee elevado calor específico, máxima densidad a 4°C y elevada tensión superficial.

Interacciones en Medio Acuoso

El agua disuelve compuestos polares que se ionizan (hidrófilos). La solubilidad depende de la polaridad y la habilidad de formar P de H (más grupos funcionales, mayor solubilidad).

• Interacciones débiles: Puentes de H (entre proteínas y ácidos nucleicos).
• Interacciones de Van der Waals: Entre átomos neutros.
• Interacciones Iónicas: Entre dos partículas de cargas opuestas, pueden ser debilitadas por la molécula de agua.
• Interacciones Hidrofóbicas: (Forman micelas) Muy débiles, importantes en la forma de proteínas y la estructura de membranas.

El agua permite la variación de temperatura. Su alta conductividad térmica facilita su dispersión a zonas con alto consumo energético. Cuando se calienta, se rompen P de H; cuando se enfría, se forman más P de H.

Osmosis y Soluciones

• Isotónica: Soluto = Soluto celular.
• Hipertónica: Soluto > Soluto celular.
• Hipotónica: Soluto < Soluto celular.

Ácidos, Bases y Soluciones Tampón

• Ácido/Base Fuerte: Se disocia completamente. Cuanto más fuerte, más tendencia tiene a perder un protón.
• Ácido/Base Débil: No se disocia completamente; una parte queda intacta.
• Solución Tampón (Buffer): Ácido débil + base conjugada. A mayor concentración de ácido débil y base conjugada, mayor es la capacidad tamponante.