150810 Las Biomoleculas

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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.