Componentes Esenciales de los Seres Vivos: Biomoléculas y su Función

Bioelementos

Son los elementos químicos que forman parte de los seres vivos. La unión de bioelementos origina las biomoléculas. Se han descrito 70 elementos químicos en los seres vivos, de los que 25 están en todos ellos. Se clasifican en:

• Bioelementos primarios (C, H, O, N, P, S): Forman el 99% de la materia viva. Sus propiedades son:
  1. Tienen capas electrónicas incompletas, por eso forman enlaces covalentes que dan lugar a biomoléculas.
  2. Tienen número atómico bajo, por lo tanto, los electrones están cerca del núcleo, lo que da lugar a moléculas estables.
  3. El O y N son electronegativos, por eso originan moléculas polares, por tanto, solubles en agua.
  4. Pueden incorporarse fácilmente a los seres vivos desde el medio externo. Se encuentran en moléculas como el agua.
• Bioelementos secundarios: Se encuentran en menor proporción en los seres vivos (Na, K).
• Oligoelementos: Se encuentran en una proporción menor al 0,1%, pero son imprescindibles por las funciones que desempeñan. Por ejemplo, el I (se encuentra en la tiroxina) y el F (se encuentra en los dientes). Están los oligoelementos esenciales, que son los presentes en todos los seres vivos, y los no esenciales, que no están en todos los seres vivos.

Agua

Es un componente muy importante en los seres vivos, es la molécula que se encuentra en mayor proporción. La cantidad de agua depende de la especie (muy abundante en los organismos acuáticos y poco abundante en los seres vivos adaptados a la desecación), de la edad del individuo (en los jóvenes se encuentra en mayor proporción) y del tipo de tejido u órgano (estando en mayor proporción en tejidos u órganos de mayor actividad). El agua también es importante porque en ella se originó la vida. Desempeña importantes funciones en los seres vivos, debido a sus propiedades, y estas dependen a su vez de su estructura química.

Estructura del agua

Está formada por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno, unidos por enlaces covalentes, compartiendo electrones. El oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y además tiene cuatro electrones sin compartir, por lo tanto, atrae con más fuerza a los electrones. Presenta carácter dipolar, lo que favorece la formación de puentes de hidrógeno con otras moléculas de agua.

Propiedades y funciones del agua

• Disolución: Gracias a su polaridad, el agua se interpone entre los iones de las redes cristalinas, disminuyendo su atracción y separándolos, es decir, disuelve compuestos iónicos y también otras moléculas polares.
• Termorregulación: Debido a esta propiedad, la temperatura del agua asciende lentamente y desciende más lentamente que otros líquidos, ya que parte de la energía comunicada se emplea en romper los puentes de hidrógeno y no en elevar la temperatura.

Sales minerales

Son compuestos inorgánicos que pueden ser solubles o insolubles en agua. En los seres vivos se encuentran de dos maneras: precipitados, formando estructuras sólidas (en este caso su función es estructural), y disueltas, es decir, en forma de aniones y cationes (su función es reguladora).

Glúcidos

Son moléculas orgánicas formadas por C, H y O. Se denominan azúcares por su sabor dulce e hidratos de carbono porque su fórmula empírica corresponde a combinaciones de carbono con agua. Los glúcidos son polialcoholes con un grupo funcional carbonilo. Su función es energética.

Monosacáridos

Glúcidos más sencillos con función energética. Sus propiedades son: dulces, cristalinos, solubles en agua y con poder reductor.

Triosas

Con 3 átomos de carbono. Son intermediarios metabólicos.

Pentosas

Con 5 átomos de carbono. La D-ribosa es una aldopentosa, azúcar del ARN. La D-desoxirribosa es una aldopentosa sin grupo –OH en el carbono 2, azúcar del ADN. La D-ribulosa es una cetopentosa que interviene en la fotosíntesis.

Hexosas

Con 6 átomos de carbono. La D-glucosa tiene función energética y se encuentra libre en el plasma sanguíneo, citoplasma, etc. Es la unidad componente de los polisacáridos. La D-galactosa es epímero de la glucosa en el carbono 4, monosacárido de la leche que unido a la glucosa origina lactosa. La D-fructosa se encuentra en frutos y en medios líquidos como el semen, y unida a la glucosa forma la sacarosa.

Enlace O-glucosídico

Se forma cuando se unen dos monosacáridos. Esta unión se denomina condensación o polimerización. Se libera una molécula de agua y se produce la unión de los dos monosacáridos por el oxígeno de uno de los dos grupos hidroxilo implicados. La reacción inversa es una hidrólisis en la que, mediante la adición de una molécula de agua, se rompe el enlace y se regeneran los dos grupos hidroxilo, de forma que ambos monosacáridos quedan separados.

Disacáridos

Unión de dos monosacáridos por enlace O-glucosídico.

• Sacarosa: β-D-fructofuranosil-(2-1)-α-D-glucopiranósido. No es reductor. Azúcar.
• Lactosa: α-D-galactopiranosil-(1-4)-β-D-glucopiranosa. La lactosa se encuentra libre en la leche y unida a otras moléculas constituyendo algunos glucolípidos.
• Maltosa: α-D-glucopiranosil-(1-4)-α-D-glucopiranosa. Es reductor. Procede de la hidrólisis del almidón y el glucógeno. Se encuentra en las semillas en germinación.
• Celobiosa: β-D-glucopiranosil-(1-4)-β-D-glucopiranosa. Es reductor. Se obtiene en la hidrólisis del polisacárido celulosa.

Polisacáridos

Están formados por largas cadenas de monosacáridos unidos mediante enlaces O-glucosídicos, por lo que son macromoléculas. Están los homopolisacáridos de reserva, como el almidón, que se encuentra en los amiloplastos de las células vegetales, sobre todo en las semillas, las raíces y los tallos (se compone por amilasa y amilopectina), y el glucógeno, un polisacárido de reserva propio de los hongos y animales, abundante en el hígado y en los músculos estriados, formado por α-D-glucopiranosas unidas por enlace (1-4) y ramificaciones (1-6). También están los homopolisacáridos estructurales, como la celulosa, que forma la pared de la célula vegetal y se encuentra en productos de consumo humano (papel); es un polímero lineal de β-D-glucopiranosas con enlaces (1-4).

Lípidos

Constituyen un grupo muy heterogéneo, tanto en su composición química como en la función que desempeñan. Todos los lípidos comparten una serie de propiedades físicas que permiten agruparlos: son insolubles en agua y en compuestos polares, pero solubles en disolventes orgánicos; presentan un aspecto graso y son poco densos. Contienen átomos de C, H y O, y algunos también P y N. Son largas cadenas hidrocarbonadas con muchos enlaces C-C y C-H. Estos enlaces no poseen polaridad y no existe interacción con las moléculas de agua.

Lípidos saponificables

Son ésteres. Su hidrólisis produce ácidos grasos. La hidrólisis de un éster se conoce como saponificación, y en los seres vivos se realiza con la intervención de unas enzimas llamadas lipasas. La síntesis de estos lípidos, mediante la unión del alcohol y el ácido, con liberación de una molécula de agua, se denomina esterificación.

Ácidos grasos

Son ácidos carboxílicos formados por largas cadenas carbonadas con un número par de carbonos. La cadena de carbono puede ser saturada (enlaces simples) o insaturada (enlaces dobles). El punto de fusión depende de la longitud de la cadena y del grado de saturación: cadenas largas y saturadas tienen elevados puntos de fusión, y cadenas insaturadas, bajos puntos de fusión. Los ácidos grasos poseen una característica muy particular, su conocido carácter anfótero. Al no tener grupos polares, la cadena carbonada es insoluble en agua. Sin embargo, presenta en un extremo un grupo carboxilo que es polar. Esto permite que en la molécula haya una pequeña parte soluble llamada cabeza y una porción larga llamada cola, apolar e insoluble en agua. Al entrar en contacto con el agua, se forman estructuras esféricas o en empalizada. Se denominan ácidos grasos esenciales a los que no se pueden sintetizar y deben ser incorporados a la dieta. Se designarán con el término de vitamina F. Las distintas especies de seres vivos presentan ácidos grasos esenciales diferentes.

Triglicéridos

Formados por ésteres de alcohol glicerina y ácidos grasos.

Fosfoglicéridos

Son triésteres de glicerina (2 ácidos grasos y un ácido fosfórico). Esta molécula se denomina ácido fosfatídico. Tienen función biológica. Todas las membranas celulares están constituidas por una doble capa fosfolipídica en la que las colas apolares de ambas capas quedan enfrentadas, mientras que las cabezas polares se orientan hacia el medio externo e interno, ambos acuosos.

Ceras

Monoésteres de un alcohol de cadena larga más un ácido graso de cadena larga. Sus funciones son: protección (recubre las superficies vegetales) e impermeabilidad (plumas de aves, panales).

Lípidos insaponificables

No contienen ácidos grasos, no son ésteres. Se encuentran en los seres vivos en menor cantidad que los lípidos saponificables. Este grupo incluye determinados compuestos biológicamente muy activos que desempeñan funciones importantes. Están los esteroides, donde se encuentra el colesterol, que forma parte de las membranas celulares animales. Se encuentra unido a proteínas. Es precursor de otros esteroides, como algunas hormonas (sexuales y corticoides), ácidos biliares y moléculas precursoras de la vitamina D.

Aminoácidos

Son moléculas que poseen un grupo amino y un grupo carboxilo terminal (NH₂-CH(R)-COOH). En función de la situación del grupo amino con respecto al carbono del grupo carboxilo, se denominan α, β, γ. Los aminoácidos que constituyen las proteínas son α-aminoácidos. En los seres vivos, 20 aminoácidos forman las proteínas, aunque existen 150 aminoácidos diferentes.

Enlace peptídico

El grupo carboxilo de un aminoácido puede interaccionar con el grupo amino de otro, quedando unidos ambos y liberándose en la reacción una molécula de agua. El compuesto obtenido se denomina dipéptido. El enlace creado entre dos aminoácidos es de tipo amida y se denomina enlace peptídico. Tiene carácter parcial de doble enlace, lo que impide que haya torsiones alrededor del enlace, lo que determina que los átomos C, O, N se sitúen en el mismo plano.

Propiedades de las Proteínas

Desnaturalización

Cualquier cambio que suponga una alteración de esta conformación, como sucede cuando se rompen los enlaces de la estructura cuaternaria, terciaria y secundaria, afecta a la función biológica de la proteína. Agentes desnaturalizantes: aumento de temperatura, cambio de pH, cambio de concentraciones de sales.

Especificidad

Las proteínas son específicas, es decir, cada especie posee algunas proteínas que otros organismos no tienen. Este hecho permite estudiar el parentesco evolutivo y distinguir lo propio de lo extraño.

Estructura primaria

Determinada por la secuencia de aminoácidos, empieza con un extremo NH₂ libre y termina con un COOH libre.

Estructura secundaria

Depende de la estructura primaria. Es el plegamiento más estable de la estructura primaria. Existen dos tipos: α-hélice y lámina β. En las proteínas, uno de ellos puede predominar sobre el otro. Se ha comprobado que determinadas combinaciones de las dos estructuras son tan estables que se encuentran presentes en muchas proteínas, incluso con funciones distintas.

Estructura α-hélice

Alude a la α-queratina. Consiste en un plegamiento en espiral en el sentido de giro de las agujas del reloj y contiene 3,6 aminoácidos por cada vuelta. El plegamiento se mantiene estable por medio de los puentes de hidrógeno que se establecen en el grupo NH de un aminoácido y el grupo CO. Entre los grupos NH y CO se generan enlaces de hidrógeno porque en ellos existen cargas parciales negativas. Si estos enlaces se rompen, la estructura secundaria se pierde. Las cadenas laterales de los aminoácidos no intervienen en los enlaces y aparecen hacia la parte externa de la α-hélice.

Lámina plegada β

Formada por la β-queratina. El plegamiento en zig-zag, unidos entre sí por puentes de hidrógeno entre NH y CO a los que estabiliza la α-hélice, las cadenas laterales de los aminoácidos se disponen de forma alternativa por encima y por debajo de esta estructura.

Estructura terciaria

Es responsable de la función de la proteína. La estructura adquiere una disposición espacial tridimensional estable. Cualquier cambio en la disposición de esta estructura puede provocar la pérdida de su actividad biológica. La estructura terciaria es un conjunto de plegamientos de la estructura secundaria de determinadas zonas de la cadena polipeptídica. Estas uniones se realizan por medio de enlaces entre las cadenas laterales R de los aminoácidos. Existen dos tipos de estructuras tridimensionales: globulares y fibrilares.

Estructura cuaternaria

Esto ocurre únicamente cuando la proteína está constituida por varias cadenas polipeptídicas, denominadas en este caso subunidades proteicas. La estructura cuaternaria es la disposición relativa que adoptan las subunidades entre sí. La unión entre ellas se realiza mediante los mismos tipos de enlaces que mantienen la estructura terciaria, establecidos en las cadenas laterales.

Funciones de las proteínas

Cumplen su función de una forma estática, denominadas activas. Entre las funciones estáticas están la función estructural y el almacenamiento de aminoácidos. Las proteínas activas realizan múltiples funciones: fisiología (proteínas que intervienen en el movimiento, en el transporte, función hormonal), regulación genética (activación o inactivación de genes), catalizadora (intervienen en las reacciones químicas) e inmunitaria (intervienen en procesos inmunitarios).

Enzimas

Catalizadores biológicos o biocatalizadores de las reacciones metabólicas. Aceleran las reacciones químicas. Son proteínas que pueden estar formadas por una parte proteica, que recibe el nombre de apoenzima (se encarga de proporcionar la estructura espacial específica que permite la unión a los sustratos), y una parte no proteica, que se denomina grupo prostético cuando su unión a la apoenzima es permanente, y cofactor cuando la unión no es permanente.

Centro activo

Es el estado en el que los enlaces de los reactivos están debilitados o rotos. Para alcanzar el estado de transición es preciso comunicar a los reactivos cierta cantidad de energía denominada energía de activación. Las reacciones endotérmicas necesitan energía y las exotérmicas desprenden energía. En las llamadas reacciones espontáneas, la energía de activación es baja, y en las reacciones no espontáneas, esta energía es alta. Las enzimas consisten en rebajar la energía de activación.

Inhibición enzimática

Los inhibidores enzimáticos son sustancias que disminuyen o anulan la actividad de una enzima. Puede ser algún ion, una molécula orgánica o el producto final. En este último caso, en el que la enzima se inhibe cuando ya no se necesita obtener más cantidad del producto y la señal para ello es el propio producto, se habla de inhibición feed-back. La inhibición puede ser reversible (la unión del inhibidor con la enzima se realiza por enlaces no covalentes) o irreversible (cuando el inhibidor, que se denomina “veneno metabólico”, se une covalentemente a la enzima y la inutiliza). Según el lugar de unión a la enzima, se diferencian dos tipos de inhibición reversible: la competitiva, en la que el inhibidor se une al centro activo impidiendo la unión del sustrato y existe una competencia entre ambas para ocupar el centro activo, y la no competitiva, en la que el inhibidor no compite con el sustrato, sino que se une en otra zona de la enzima distinta del centro activo; esta unión modifica la estructura de la enzima, el inhibidor se une al complejo enzimático e impide la posterior formación del producto.

Clasificación de las enzimas

• Oxidorreductoras: Realizan reacciones redox. Están las deshidrogenasas, que quitan hidrógenos, y las oxidasas, que ceden electrones al oxígeno.
• Liasas: Adición de moléculas sencillas a dobles enlaces. Están las aminasas, hidrolasas y carboxilasas.
• Transferasas: Transferencia de grupos entre moléculas. Están las transaminasas y transcarboxilasas.
• Isomerasas: Transformación de un isómero a otro.
• Hidrolasas: Realizan hidrólisis. Están las lipasas, peptidasas y esterasas.
• Ligasas o sintasas: Unión de moléculas o de un grupo funcional a una molécula utilizando la energía del ATP.

Nucleótidos

Unidades que forman los ácidos nucleicos. Están formados por pentosa, bases nitrogenadas y un grupo fosfato. Pentosa + base nitrogenada → nucleósido + grupo fosfato → nucleótido.

ADN

Está formado por la unión de desoxirribonucleótidos, es decir, sus nucleótidos componentes contienen desoxirribosa. Sus bases nitrogenadas pueden ser adenina, guanina, citosina y timina, pero nunca uracilo. Con excepción de algunos virus, el ADN está constituido por dos cadenas polinucleotídicas. La molécula de ADN lleva codificada la información a partir de la cual se forma un organismo vivo, por lo que constituye el material genético.

Estructura secundaria del ADN

Estructura propuesta por James Watson y Francis Crick en 1953, gracias a dos descubrimientos:

• Chargaff: Existe el mismo número de T que de A y el mismo número de G que de C, y A+G=C+T.
• Rosalind Franklin y Wilkins: Difracción de rayos X al ADN, y dedujeron que esta molécula posee una estructura helicoidal con 2 periodicidades, una cada 0,34 nm y otra cada 3,4 nm.

Modelo de Watson y Crick: El ADN está constituido por dos cadenas polinucleotídicas unidas entre sí en toda su longitud. Las dos cadenas son antiparalelas, lo que significa que el extremo 3’ de una de ellas se enfrenta con el extremo 5’ de otra. Se unen por puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. Forman una doble hélice. Enrollamiento plectonémico. Es dextrógira. Esta estructura es la forma B. Las bases nitrogenadas son perpendiculares en el eje imaginario central.

ARN

Los tipos de ARN son:

• ARN mensajero: Copia de un fragmento de ADN con información para una proteína y lleva el orden de aminoácidos. Tiene una vida corta, se degrada por ribonucleasas. Constituye entre el 3-5% del ARN celular.
• ARN ribosómico: Forma parte de los ribosomas. No es específico para cada organismo. Forma entre el 80-85% del ARN celular.
• ARN de transferencia: Transporta los aminoácidos del citoplasma al ribosoma. Existe 1 ARNt para cada aminoácido, se distinguen por el anticodón. Cadenas cortas con bases nitrogenadas diferentes a los otros ARN. Tiene una estructura formada por aminoácidos. Constituye el 10% del ARN celular.