Estructura, función e importancia biológica de las biomoléculas: agua, carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos
Los bioelementos al unirse forman la base química de los compuestos llamados biomoléculas las cuales cumplen funciones particulares derivadas de sus grupos funcionales presentes.
Los seres vivos estamos constituidos en gran parte por agua ($H_{2}O$) una molécula de agua presenta un átomo de oxígeno unido mediante un enlace covalente a dos átomos de hidrógeno en un arreglo espacial particular generando un molécula de carácter polar y que tiene la capacidad de formar puentes de hidrógeno con otras moléculas de agua así como con otras moléculas diferentes. A partir de este arreglo es que el agua es capaz de intervenir y modular una gran cantidad de actividades tanto metabólicas como ambientales, por ejemplo su capacidad de disolver casi cualquier sustancia así como su capilaridad, son condiciones necesarias en el transporte de sustancias por nuestros vasos sanguíneos y el tallo de las plantas; interviene en las reacciones metabólicas hidratando y deshidratando, actúa como amortiguador de sustancias tanto ácidas como básicas que ingresan a nuestro cuerpo. El agua es un compuesto clave para mantener una temperatura estable en el planeta y por su densidad es que es posible que los cuerpos de agua en ambientes fríos no se congelen del todo permitiendo el desarrollo de la vida en ellos. El agua es indispensable para la vida como la conocemos
Los carbohidratos son polihidroxialdehídos o polihidroxiacetonas con una fórmula ($CH_{2}O$)n, se les clasifica en monosacáridos, oligosacáridos y polisacáridos y sus funciones derivan de esta cualidad por ejemplo los monosacáridos como la glucosa representan la principal fuente de energía metabólica y la celulosa, un polisacárido constituye la estructura base de las paredes celulares de las plantas. Los monosacáridos son las moléculas sobre las cuales se van a construir los demás grupos de carbohidratos por lo que se partirá de estos. Los monosacáridos se dividen en aldosas (presentan un grupo aldehído) o cetosas (presentan un grupo cetona) y tienen isomería óptica por lo que se les denomina como D o L pudiendo encontrar en la naturaleza ambas formas simultáneamente; por ejemplo la glucosa puede ser D-glucosa o L-glucosa siendo la primera la que los sistemas vivos empleamos principalmente; en medio acuoso tienden a formar estructuras cíclicas por lo que van a presentar otro tipo de isomería denominada α $\ o\ \beta$, la D-glucosa puede ser α $-D-glucosa$ o $\beta -D-glucosa$. Los monosacáridos como la glucosa (aldosa) y la fructosa (cetosa) tienen 6 átomos de carbono por lo que se les llama hexosas y cumplen funciones energéticas; otro monosacárido importante es la ribosa (una pentosa) que se encuentra en los ácidos nucleicos
Los monosacáridos se unen entre sí por medio de un enlace glucosídico dando lugar a los oligosacáridos y a los polisacáridos. Los enlaces más frecuentes entre las unidades monosacáridas son α $1-4$, α $1-6$, $\beta \ 1-4$ de tal manera que el disacárido sacarosa presenta un enlace α $1-4$ entre la glucosa y la fructosa que la forman, los polisacáridos de reserva glucógeno (animales) y almidón (plantas) tienen enlaces α $1-4$ y α $1-6$, mientras que la celulosa tiene enlaces
$\beta \ 1-4$. Dentro de los oligosacáridos los más conocidos son los disacáridos sacarosa (azúcar) y lactosa (leche); los polisacáridos se dividen en dos tipos: estructurales como la celulosa y de reserva energética como el glucógeno y el almidón, siendo la D-glucosa su unidad monomérica principal.
Para entender mejor el tema, te invitamos a que revises el siguiente video.
Los lípidos por su parte son un grupo heterogéneo de sustancias que tienen la particularidad de no ser solubles en agua pero sí son solubles en compuestos no polares como son el etanol y éter. Los lípidos cumplen funciones biológicas de gran importancia pues actúan como reserva energética, son los componentes estructurales de las membranas celulares así como de algunas hormonas y vitaminas además de proteger órganos como el corazón y los riñones.
Los lípidos se pueden clasificar como simples, compuestos o asociados. Los simples son los más abundantes, los triacilglicéridos actúan como reserva energética, están formados por una molécula de glicerol a la que se unen tres ácidos grasos por lo que se denominan triacilglicéridos (triglicéridos). Los ácidos grasos están formados por una cadena hidrocarbonada generalmente con un número par de átomos de carbono con un grupo carboxilo terminal y pueden ser saturados (de hidrógeno) o insaturados (enlaces dobles C=C); a temperatura ambiente las grasas de origen vegetal son líquidas y las de origen animal son sólidas, derivado de su insaturación o saturación. Las ceras son otro tipo de lípidos sencillos que actúan como cubiertas de protección principalmente, son esteres de ácidos grasos con alcoholes.
Los lípidos compuestos pueden dividirse en general en glicerofosfolípidos y esfingolípidos, los glicerofosfolípidos como las lecitinas están formados por una molécula de glicerol a la que se unen dos ácidos grasos y un grupo fosfato lo que les proporciona un carácter anfipático por tener una región polar (fosfato) y una región no polar (cola hidrocarbonada) razón por la cual son los componentes estructurales de las membranas biológicas. Los esfingolípidos como la esfingomielina y los galactolípidos están formados por una esfingosina unida a un ácido graso formando una ceramida a la que se une un grupo polar, siendo muy abundantes en la mielina y en tejido nervioso.
Los lípidos asociados se pueden agrupar en terpenoides, eicosanoides y esteroides. Los terpenoides derivan del compuesto isopreno y se encargan de proporcionar color y olor a los vegetales o ser precursores de vitaminas como la vitamina A. Los eicosanoides como las prostaglandinas y los leucotrienos derivan del ácido araquidónico de 20 átomos de carbono (de ahí su nombre) y actúan principalmente como hormonas locales en funciones como la vasodilatación, la inflamación y la percepción de fiebre o dolor. Los esteroides están formados por un compuesto de cuatro anillos de carbono como el colesterol que es precursor de compuestos como ácidos biliares y hormonas sexuales además de formar parte importante en la estructura de las membranas celulares de las células animales.
Las proteínas son moléculas que desempeñan funciones de gran importancia para los seres vivos como son expresar la información genética, empaquetar el DNA, actuar como biocatalizadores, hacer funcionales a las membranas, el movimiento, en mecanismos de defensa además de ser parte importante de estructuras de protección y sostén como nuestra piel. Se pueden clasificar por su forma como fibrosas o globulares, por su composición en simples o conjugadas. Las proteínas están formadas por aminoácidos, moléculas que en su estructura presentan un grupo funcional amino y un grupo funcional carboxilo por lo que se pueden comportar en función del medio en donde se encuentren como ácidos o como bases por lo que se les denomina anfóteras; esta particularidad hace a los aminoácidos y en consecuencia a las proteínas tan especiales. Los aminoácidos presentan isomería por lo que hay formas L y formas D (con excepción del aminoácido glicina) siendo las formas L las más empleadas por los seres vivos. Una proteína no es más que la unión ordenada de los aminoácidos enlazados entre sí por medio de un enlace peptídico que se produce entre el grupo carboxilo de un aminoácido con el grupo amino del siguiente generando así una dirección de la cadena de aminoácidos o polipéptido de tal manera que vamos a encontrar un extremo con un grupo amino terminal (extremo N) y otro extremo con un grupo carboxilo terminal (extremo C); se dice que el primer aminoácido de un polipéptido es aquel que presenta el extremo N libre mientras que el aminoácido final de la cadena es el que presenta el extremo C libre; la cadena de aminoácidos no se ramifica y las diferentes arquitecturas que presenta una proteína se deriva de plegamientos producidos por interacciones electroquímicas
Las proteínas presentan varios niveles de organización y estructura derivadas de la secuencia de aminoácidos presentes. La estructura primaria se refiere a la simple secuencia ordenada de los aminoácidos; la estructura secundaria deriva de interacciones de tipo puente de hidrógeno entre los aminoácidos de la cadena generando las llamadas hélice α o lámina plegada β. La estructura terciaria se produce por interacciones entre los átomos de azufre de los grupos variables del aminoácido cisteína principalmente produciendo un plegamiento de la cadena sobre sí misma. La estructura cuaternaria se produce si la proteína está formada por dos o más cadenas de aminoácidos entre sí como sucede con la hemoglobina
Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos los cuales están formados por un grupo fosfato unido a una pentosa (ribosa o desoxirribosa) y ésta a su vez a una base nitrogenada (purinas -Adenina, Guanina- o pirimidinas -Timina, Citosina, Uracilo-) que se representan respectivamente como A, G, T, C, U; contienen la información genética para determinar la secuencia de aminoácidos que formará a una proteína, así como constituyen la maquinaria que sintetiza a un polipéptido. Los nucleótidos se acomodan de tal manera que los fosfatos y las pentosas forman un esqueleto a partir del cual se proyectan las bases nitrogenadas. Esta disposición del esqueleto azúcar-fosfato provoca que la hebra de polinucleótidos tenga una dirección con un extremo llamado 5´ con el grupo fosfato unido al carbón 5 de la pentosa y otro extremo 3´con un grupo OH unido al carbono 3 de la pentosa del otro extremo por lo que se dice que la hebra corre en dirección 5´–>3´
Se reconocen dos tipos de ácidos nucleicos, el ácido ribonucleico o RNA y el ácido desoxirribonucleico o DNA. El RNA está constituido por una sola cadena de polinucleótidos que presentan la pentosa ribosa y las bases A, G, C y U; hay varios tipos de RNA como son el mensajero, ribosomal, de transferencia, pequeños, de interferencia entre otros. Por su parte el DNA está formado por dos cadenas de polinucleótidos que tienen la pentosa desoxirribosa y las bases A, T, G y C, las cadenas corren de forma antiparalela una con respecto de la otra y se produce un apareamiento de bases específico A-T y G-C entre las hebras antiparalelas producto de interacciones tipo puente de hidrógeno que mantiene unidas a estas dos hebras. Las hebras adquieren una arquitectura particular denominada doble hélice del DNA modelo propuesto por Watson y Crick a partir del DNA-B.
Puedes revisar las biomoléculas en la siguiente liga:
Actividad H5P
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