LAS BIOMOLECULAS
(Prof. Luis Eduardo Ramírez Morales)
Los organismos vivos
producen elementos que le permiten subsistir y reproducirse en el
tiempo, y estas moléculas son producidas constantemente hasta el
momento de la muerte del ser vivo. Es esto lo que son las
biomoléculas: cualquier tipo de molécula orgánica producida por un
organismo vivo.
Pero adentrémonos
en el mundo de las biomoléculas para conocerlas más de cerca y
aproximarnos de paso a nuestra esencia.
¿Qué son las
biomoléculas?
Las biomoléculas
están constituidas principalmente por carbono, hidrógeno, nitrógeno
y oxígeno, y en menor medida fósforo y sulfuro. Suelen incorporarse
otros elementos, pero en menor frecuencia.
Las biomoléculas
cuentan con estos elementos en sus estructuras ya que les permiten el
equilibrio perfecto para la formación de enlaces covalentes entre
ellos mismos, también permite la formación de esqueletos
tridimensionales, la formación de enlaces múltiples y la creación
de variados elementos.
Para material
biológico o biomaterial, véase material biológico
Las biomoléculas
son las moléculas constituyentes de los seres vivos. Los seis
elementos químicos o bioelementos más abundantes en los seres vivos
son el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre
(C,H,O,N,P,S) representando alrededor del 99 % de la masa de la
mayoría de las células, con ellos se crean todo tipos de sustancias
o biomoléculas (proteínas, aminoácidos, neurotransmisores).1 Estos
seis elementos son los principales componentes de las biomoléculas
debido a que:
Permiten la
formación de enlaces covalentes entre ellos, compartiendo
electrones, debido a su pequeña diferencia de electronegatividad.
Estos enlaces son muy estables, la fuerza de enlace es directamente
proporcional a las masas de los átomos unidos. Permiten a los átomos
de carbono la posibilidad de formar esqueletos tridimensionales
–C-C-C- para formar compuestos con número variable de carbonos.
Permiten la formación de enlaces múltiples (dobles y triples) entre
C y C; C y O; C y N. Así como estructuras lineales, ramificadas,
cíclicas, heterocíclicas, etc.Permiten la posibilidad de que con
pocos elementos se den una enorme variedad de grupos funcionales
(alcoholes, aldehídos, cetonas, ácidos, aminas, etc.) con
propiedades químicas y físicas diferentes.
Carbohidratos
1. Introducción
Los carbohidratos
(también llamados “hidratos de carbono”) son uno de los tres
tipos de macronutrientes presentes en nuestra alimentación (los
otros dos son las grasas y las proteínas). Existen en multitud de
formas y se encuentran principalmente en los alimentos tipo almidón,
como el pan, la pasta alimenticia y el arroz, así como en algunas
bebidas, como los zumos de frutas y las bebidas endulzadas con
azúcares. Los carbohidratos constituyen la fuente energética más
importante del organismo y resultan imprescindibles para una
alimentación variada y equilibrada.
El progreso en
las investigaciones científicas ha puesto en relieve las diversas
funciones que tienen los carbohidratos en el cuerpo y su importancia
para gozar de una buena salud. En la siguiente explicación se
examinan más a fondo dichas investigaciones, para que el lector
conozca mejor este macronutriente, siendo además necesario señalar
que gran parte de nuestros conocimientos en torno a los carbohidratos
datan ya de hace bastante tiempo.
2. ¿Qué son
los carbohidratos?
Todos los
carbohidratos están formados por unidades estructurales de azúcares,
que se pueden clasificar según el número de unidades de azúcar que
se combinen en una molécula. La glucosa, la fructosa y la galactosa
son ejemplos destacados de los azúcares constituidos por una sola
unidad (de azúcar); dicho tipo de azúcares se conocen también como
“monosacáridos”. A los azúcares constituidos por dos unidades
se le denomina “disacáridos”; los disacáridos más ampliamente
conocidos son la sacarosa (“azúcar de mesa”) y la lactosa (el
azúcar de la leche). La tabla siguiente muestra los principales
tipos de carbohidratos alimenticios.
CLASIFICACIÓN DE
LOS CARBOHIDRATOS ALIMENTICIOS y ejemplos correspondientes
CLASE
EJEMPLOS
Monosacáridos
Glucosa,
fructosa, galactosa
Disacáridos
Sacarosa,
lactosa, maltosa
Polioles
Isomaltol,
maltitol, sorbitol, xilitol, eritritol
Oligosacáridos
Fructooligosacáridos,
maltooligosacáridos
Polisacáridos
tipo almidón
Amilosa,
amilopectina, maltodextrinas
Polisacáridos no
semejantes al almidón (fibra alimenticia)
Celulosa,
pectinas, hemicelulosas, gomas, inulina
.
Azúcares
La glucosa y la
fructosa son monosacáridos y se pueden encontrar en las frutas, las
bayas, las verduras, la miel y los siropes de glucosa-fructosa. El
azúcar común o de mesa, es decir, la sacarosa, es un disacárido
compuesto por glucosa y fructosa y está presente en la naturaleza en
alimentos tales como la remolacha azucarera, la caña de azúcar y
las frutas. La lactosa, que es un disacárido compuesto de glucosa y
galactosa, es el principal azúcar de la leche y de los productos
lácteos; por su parte, la maltosa, que es un disacárido compuesto
sólo de glucosa (dos moléculas de glucosa), está presente en la
malta y en los siropes (extractos líquidos) derivados del almidón.
Tanto el azúcar de mesa (sacarosa) y los siropes de glucosa-fructosa
contienen glucosa y fructosa, bien en estado libre (siropes de
glucosa-fructosa) o en forma de disacárido (sacarosa).
Los polioles se
denominan alcoholes de azúcar. Hay polioles naturales, pero la
mayoría se fabrican mediante la transformación de azúcares. El
poliol utilizado con mayor frecuencia es el sorbitol; por su parte,
el xilitol se usa frecuentemente en las gomas de mascar y en los
caramelos. El isomaltol es otro poliol, que se usa en
repostería/confitería y se obtiene a partir de la sacarosa. Los
polioles son dulces y se pueden utilizar en los alimentos
(añadiéndolos a los mismos) de forma similar a lo que se hace con
los azúcares, aunque dichos polioles pueden tener un efecto laxante
si se ingieren en cantidades excesivas.
Oligosacáridos
La Organización
Mundial de la Salud (OMS) define a los oligosacáridos como
carbohidratos formados por 3-9 unidades de azúcares (monosacáridos),
aunque en otras definiciones se habla de cadenas de azúcares
ligeramente más largas. Los fructooligosacáridos contienen un total
de hasta 9 unidades de fructosa y se producen con fines comerciales
mediante la hidrólisis (descomposición enzimática) parcial de la
inulina. La rafinosa y la estaquiosa están presentes, si bien en
cantidades pequeñas, en determinadas legumbres, cereales y verduras,
así como en la miel.
. Polisacáridos
Se necesitan más
de 10 unidades de azúcar y a veces hasta miles de unidades para
formar los polisacáridos. El almidón es la principal reserva de
energía de las hortalizas de raíz y los cereales. Está formado por
largas cadenas de glucosa en forma de gránulos, cuyo tamaño y forma
varían según el vegetal del que forma parte. El equivalente de los
almidones en los animales y en los seres humanos es el llamado
“glucógeno” (ver sección 3.1).
Los polisacáridos
sin almidón son los principales componentes de la fibra alimenticia.
Comprenden: celulosa, hemicelulosa, inulina, pectinas y gomas. La
celulosa es el componente principal de las paredes celulares
vegetales y está formada por miles de unidades de glucosa. Los
distintos componentes de la fibra alimenticia tienen diferentes
propiedades y estructuras físicas. Una característica distintiva de
la fibra alimenticia es que no puede ser digerida por los seres
humanos. Sin embargo, algunos tipos de fibra pueden ser metabolizados
por las bacterias intestinales, dando lugar a compuestos que las
células intestinales humanas sí que pueden utilizarpara la
producción de energía. En cualquier caso, por no poder ser digerida
por los seres humanos, la fibra tiene un menor contenido energético
medio que la mayoría de los demás carbohidratos
Los
carbohidratos en el cuerpo
La función
principal de los carbohidratos es proporcionar energía, aunque
también desempeñan una función importante para la estructura y el
funcionamiento de las células, tejidos y órganos; además, sirven
para formar las estructuras carbohidratadas de la superficie de las
células. Hay diversas clases de moléculas carbohidratadas en el
cuerpo: proteoglicanos, glucoproteínas (también llamadas
“glicoproteínas”), y glucolípidos (también llamados
“glicolípidos”).
. Fuente y
almacenamiento de energía
Los almidones y
los azúcares son las principales fuentes de energía y aportan 4
kilocalorías (17 kilojulios) por gramo. Los polioles proporcionan
2,4 kilocalorías (10 kilojulios), y la fibra alimenticia, 2
kilocalorías (8 kilojulios) por gramo, respectivamente. Nota
importante: el poliol eritritol no es metabolizado en absoluto por el
cuerpo y, por eso, proporciona cero calorías.
En el intestino
delgado, los monosacáridos son absorbidos y de allí pasan al
torrente sanguíneo, desde donde son transportados hasta los lugares
en los que son utilizados. Los disacáridos son descompuestos en
azúcares simples por las enzimas digestivas. El cuerpo también
necesita la ayuda de las enzimas digestivas para romper las largas
cadenas de almidones y descomponerlas en los azúcares por los que
están formadas, que pasan posteriormente a la sangre.
El cuerpo humano
utiliza los carbohidratos en forma de glucosa. La glucosa también se
puede transformar en glucógeno, un polisacárido similar al almidón,
que es almacenado en el hígado y en los músculos como fuente de
energía de la que el cuerpo puede disponer fácilmente. El cerebro y
los eritrocitos (“glóbulos rojos”) necesitan la glucosa, ya que
no pueden emplear otra cosa como fuente de energía: ni grasas, ni
proteínas, ni ninguna otra forma de energía. Por este motivo se
debe mantener constantemente el nivel de glucosa en sangre en un
nivel óptimo. Para cubrir las necesidades energéticas del cerebro
se necesitan aproximadamente 130 gr de glucosa al día. La glucosa
puede proceder directamente de los carbohidratos ingeridos con la
dieta, de los depósitos de glucógeno o de la conversión de
determinados aminoácidos derivados de la degradación de las
proteínas. Varias hormonas, entre ellas la insulina, trabajan
rápidamente para regular el flujo de glucosa que entra y sale de la
sangre y mantenerla a un nivel estable.
Proteínas
Representación
de la estructura tridimensional digitalizada de la mioglobina. La
animación corresponde a la transición conformacional entre las
formas oxigenada y desoxigenada.Las proteínas (del francés
protéine, y este del griego πρωτεῖος [proteios],
‘prominente’, ‘de primera calidad’)1 o prótidos2 son
moléculas formadas por cadenas lineales de aminoácidos.
Por sus
propiedades físico-químicas, las proteínas se pueden clasificar en
proteínas simples (holoproteidos), formadas solo por aminoácidos o
sus derivados; proteínas conjugadas (heteroproteidos), formadas por
aminoácidos acompañados de sustancias diversas, y proteínas
derivadas, sustancias formadas por desnaturalización y
desdoblamiento de las anteriores. Las proteínas son necesarias para
la vida, sobre todo por su función plástica (constituyen el 80 %
del protoplasma deshidratado de toda célula), pero también por sus
funciones biorreguladoras (forman parte de las enzimas) y de defensa
(los anticuerpos son proteínas).
Las proteínas
desempeñan un papel fundamental para la vida y son las biomoléculas
más versátiles y diversas. Son imprescindibles para el crecimiento
del organismo y realizan una enorme cantidad de funciones diferentes,
entre las que destacan: Estructural. Esta es la función más
importante de una proteína (Ej: colágeno) Inmunológica
(anticuerpos) Enzimática (Ej: sacarasa y pepsina) Contráctil
(actina y miosina) Homeostática: colaboran en el mantenimiento
del pH (ya que actúan como un tampón químico) Transducción de
señales (Ej: rodopsina) Protectora o defensiva (Ej: trombina y
fibrinógeno) Producción de costras (ej:fibrina).
Las proteínas
están formadas por aminoácidos. Las proteínas de todos los seres
vivos están determinadas mayoritariamente por su genética (con
excepción de algunos péptidos antimicrobianos de síntesis no
ribosomal), es decir, la información genética determina en gran
medida qué proteínas tiene una célula, un tejido y un organismo.
Las proteínas se
sintetizan dependiendo de cómo se encuentren regulados los genes que
las codifican. Por lo tanto, son susceptibles a señales o factores
externos. El conjunto de las proteínas expresadas en una
circunstancia determinada es denominado proteoma.
Lípidos
Los lípidos son
un conjunto de moléculas orgánicas (la mayoría biomoléculas)
compuestas principalmente por carbono e hidrógeno y en menor medida
oxígeno, aunque también pueden contener fósforo, azufre y
nitrógeno. Tienen como característica principal el ser hidrófoba
(insolubles en agua) y solubles en disolventes orgánicos como la
bencina, el benceno y el cloroformo. En el uso coloquial, a los
lípidos se les llama incorrectamente grasas, ya que las grasas son
solo un tipo de lípidos procedentes de animales.
Los lípidos
cumplen funciones diversas en los organismos vivientes, entre ellas
la de reserva energética (como los triglicéridos), la estructural
(como los fosfolípidos de las bicapas) y la reguladora (como las
hormonas esteroides).
Características
Los lípidos son
moléculas muy diversas; unos están formados por cadenas alifáticas
saturadas o insaturadas, en general lineales, pero algunos tienen
anillos (aromáticos). Algunos son flexibles, mientras que otros son
rígidos o semiflexibles hasta alcanzar casi una total Flexibilidad
mecánica molecular; algunos comparten carbonos libres y otros forman
puentes de hidrógeno
La mayoría de
los lípidos tiene algún tipo de carácter no polar, es decir,
poseen una gran parte apolar o hidrofóbico ("que le teme al
agua" o "rechaza el agua"), lo que significa que no
interactúa bien con solventes polares como el agua, pero sí con la
gasolina, el éter o el cloroformo. Otra parte de su estructura es
polar o hidrofílica ("que tiene afinidad por el agua") y
tenderá a asociarse con solventes polares como el agua; cuando una
molécula tiene una región hidrófoba y otra hidrófila se dice que
tiene carácter de anfipático. La región hidrófoba de los lípidos
es la que presenta solo átomos de carbono unidos a átomos de
hidrógeno, como la larga "cola" alifática de los ácidos
grasos o los anillos de esterano del colesterol; la región hidrófila
es la que posee grupos polares o con cargas eléctricas, como el
hidroxilo (–OH) del colesterol, el carboxilo (–COOH–) de los
ácidos grasos, el fosfato (–PO4–) de los fosfolípidos.
Los lípidos son
hidrofóbicos, esto se debe a que el agua esta compuesta por un átomo
de oxígeno y dos de hidrógeno a su alrededor, unidos entre sí por
un enlace de hidrógeno. El núcleo de oxígeno es más grande que el
del hidrógeno, presentando mayor electronegatividad. Como los
electrones tienen mayor carga negativa, la transacción de un átomo
de oxígeno tiene una carga suficiente como para atraer a los de
hidrógeno con carga opuesta, uniéndose así el hidrógeno y el agua
en una estructura molecular polar.Por otra parte, los lípidos son
largas cadenas de hidrocarburos y pueden tomar ambas formas: cadenas
alifáticas saturadas (un enlace simple entre diferentes enlaces de
carbono) o insaturadas (unidos por enlaces dobles o triples). Esta
estructura molecular es no polar.Los enlaces polares son más
enérgicamente estables y viables, por eso es que las moléculas de
agua muestran una clara afinidad por los demás. Pero por el
contrario, las cadenas de hidrocarburos no son capaces de establecer
un grado sustancial de afinidad con las moléculas de agua y entonces
no se mezclan. Los lípidos son insolubles en agua porque no hay
adhesión entre las moléculas de agua y la sustancia lipídica.
Ácidos
nucleicos.
Los
ácidos nucleicos son grandes polímeros formados por la repetición
de monómeros denominados nucleótidos, unidos mediante enlaces
fosfodiéster. Se forman, así, largas cadenas; algunas moléculas de
ácidos nucleicos llegan a alcanzar tamaños gigantescos, con
millones de nucleótidos encadenados. Los ácidos nucleicos almacenan
la información genética de los organismos vivos y son los
responsables de la transmisión hereditaria. Existen dos tipos
básicos, el ADN y el ARN.
El
descubrimiento de los ácidos nucleicos se debe a Friedrich Miescher,
quien en el año 1869 aisló de los núcleos de las células una
sustancia ácida a la que llamó nucleína,1 nombre que
posteriormente se cambió a ácido nucleico. Posteriormente, en 1953,
James Watson y Francis Crick descubrieron la estructura del ADN,
empleando la técnica de difracción de rayos X.
Tipos
de ácidos nucleicos
Artículo
principal: Estructura del ácido nucleico
Existen
dos tipos de ácidos nucleicos : ADN (ácido desoxirribonucleico) y
ARN (ácido ribonucleico), que se diferencian: por el glúcido (la
pentosa es diferente en cada uno; ribosa en el ARN y desoxirribosa en
el ADN); por las bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina y
timina, en el ADN; adenina, guanina, citosina y uracilo, en el ARN;
en la inmensa mayoría de organismos del cuerpo humano , el ADN es
bicatenario (dos cadenas unidas formando una doble hélice), mientras
que el ARN es monocatenario (una sola cadena), aunque puede
presentarse en forma extendida, como el ARNm, o en forma plegada,
como el ARNt y el ARNr; en la masa molecular: la del ADN es
generalmente mayor que la del ARN.
