Antes de estudiar las moléculas de la vida hay que estudiar el medio donde ocurren: sin agua, ninguna de las otras cinco familias funciona.
Definición
Las biomoléculas inorgánicas son las que no están construidas sobre esqueletos de carbono unidos entre sí: el agua y las sales minerales. El agua es una molécula formada por un átomo de oxígeno unido a dos de hidrógeno mediante enlaces covalentes polares, y constituye entre el 60 % y el 70 % de la masa de un organismo adulto.
Estructura y enlace característico
La geometría del agua es angular, con un ángulo de 104,5°. Como el oxígeno atrae más los electrones que el hidrógeno, aparece una carga parcial negativa (δ−) sobre el oxígeno y dos cargas parciales positivas (δ+) sobre los hidrógenos: la molécula es un dipolo. Ese dipolo permite el enlace característico del tema, el puente o enlace de hidrógeno, una atracción intermolecular débil (unas veinte veces más débil que un enlace covalente) pero decisiva porque cada molécula puede formar hasta cuatro.
Dipolo, red de enlaces de hidrógeno y escala de pH.
Clasificación de las sales minerales
Precipitadas (insolubles): cumplen función estructural. Fosfato y carbonato de calcio en huesos y dientes, sílice en diatomeas.
Asociadas a moléculas orgánicas: hierro en la hemoglobina, magnesio en la clorofila, yodo en las hormonas tiroideas.
Propiedades y funciones biológicas
Propiedad
Origen
Consecuencia biológica
Disolvente polar
Carácter dipolar
Medio de reacción y transporte de nutrientes y desechos
Calor específico alto
Red de puentes de hidrógeno
Amortigua los cambios de temperatura del organismo
Calor de vaporización alto
Hay que romper muchos puentes
La sudoración refrigera con poca agua
Cohesión y capilaridad
Atracción entre moléculas
Ascenso de savia en el xilema
Menor densidad en estado sólido
Red abierta del hielo
El hielo flota y aísla el agua líquida bajo él
Además, el agua es reactivo: participa como sustrato en la hidrólisis y como donante de electrones en la fotosíntesis.
pH y amortiguadores
El pH se define como pH = −log [H3O+]. La escala va de 0 a 14 y es logarítmica: una diferencia de una unidad significa diez veces más o menos concentración de protones. La sangre se mantiene entre 7,35 y 7,45 gracias al sistema amortiguador bicarbonato / ácido carbónico; fuera de ese rango estrecho las enzimas dejan de funcionar.
Ejemplo aplicado
El suero fisiológico es una disolución de NaCl al 0,9 %, isotónica respecto al plasma. Si se inyectara agua destilada, el agua entraría en los glóbulos rojos por ósmosis hasta reventarlos: eso es la hemólisis. La misma lógica explica por qué una lechuga marchita se recupera en agua fría: el medio hipotónico devuelve turgencia a sus células.
Tres errores frecuentes
Creer que el agua es solo un relleno pasivo.Es reactivo en hidrólisis y fotosíntesis, y su estructura determina el plegamiento de proteínas y membranas.
Tratar la escala de pH como si fuera lineal.De pH 5 a pH 3 la acidez no se duplica: se multiplica por cien.
Confundir el puente de hidrógeno con un enlace covalente.El puente de hidrógeno es una interacción débil entre moléculas; se rompe con calor moderado sin destruir la molécula de agua.
Tema 2 · biomolécula orgánica
Glúcidos
Llamarlos «hidratos de carbono» es un accidente histórico: no son carbono hidratado, son polihidroxialdehídos y polihidroxicetonas.
Definición
Los glúcidos son biomoléculas orgánicas formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno, que responden a la función química de un aldehído o de una cetona acompañada de varios grupos hidroxilo. La fórmula empírica aproximada es Cn(H2O)n, de donde viene el nombre antiguo.
Clasificación
Monosacáridos: no hidrolizables. Se nombran por el número de carbonos (triosas, tetrosas, pentosas, hexosas) y por su grupo funcional (aldosas o cetosas). Ejemplos: glucosa, fructosa, galactosa, ribosa, desoxirribosa.
Oligosacáridos: de 3 a 10 unidades; abundan en el glucocálix.
Polisacáridos: almidón y glucógeno (reserva), celulosa y quitina (estructurales).
Estructura y enlace característico
En disolución, los monosacáridos de cinco o más carbonos se ciclan y forman anillos de furanosa o piranosa. El carbono que era el grupo carbonilo se convierte en el carbono anomérico y puede quedar en posición α o β. El enlace característico es el O-glucosídico, que se forma por condensación con pérdida de una molécula de agua.
De la cadena abierta al anillo, y del anillo al polisacárido.
La orientación del enlace decide la función: el almidón y el glucógeno usan enlaces α(1→4), que producen cadenas helicoidales fáciles de hidrolizar; la celulosa usa β(1→4), que produce cadenas rectas capaces de asociarse en fibras muy resistentes.
Funciones biológicas
Energética inmediata: la glucosa aporta unas 4 kcal/g y es el combustible preferente del cerebro y del glóbulo rojo.
Reserva: almidón en vegetales, glucógeno en hígado y músculo.
Estructural: celulosa en la pared vegetal, quitina en el exoesqueleto de artrópodos y en la pared de hongos.
Reconocimiento celular: los oligosacáridos del glucocálix definen, por ejemplo, los grupos sanguíneos ABO.
Ejemplo aplicado
La intolerancia a la lactosa no es una alergia: es la falta de la enzima lactasa. Sin ella, el disacárido no se rompe en el intestino delgado, llega intacto al colon y la microbiota lo fermenta produciendo gas y ácidos. Por eso el problema desaparece con lactosa ya hidrolizada, aunque la molécula ingerida siga siendo azúcar.
Tres errores frecuentes
Usar «azúcar» y «glucosa» como sinónimos.El azúcar de mesa es sacarosa, un disacárido; la glucosa es solo la mitad de ella.
Suponer que todo polisacárido sirve de reserva energética.La celulosa está hecha de glucosa y el ser humano no puede digerirla: le falta la enzima que rompe el enlace β.
Afirmar que todos los disacáridos son reductores.La sacarosa no lo es, porque el enlace compromete los carbonos anoméricos de ambos monosacáridos.
Tema 3 · biomolécula orgánica
Lípidos
Es la única familia que no se define por su estructura química, sino por su comportamiento: no se disuelven en agua.
Definición
Los lípidos son un grupo químicamente heterogéneo de biomoléculas orgánicas, insolubles en agua y solubles en disolventes orgánicos como el éter, el cloroformo o el benceno. A diferencia de glúcidos, proteínas y ácidos nucleicos, no son polímeros: no hay un monómero que se repita.
Clasificación
Saponificables (contienen ácidos grasos y forman jabón con una base):
Ácidos grasos libres, saturados o insaturados.
Acilglicéridos: mono-, di- y triglicéridos.
Fosfolípidos y glucolípidos, componentes de membrana.
El enlace característico es el éster, entre un grupo hidroxilo del glicerol y el grupo carboxilo de un ácido graso. Un triglicérido tiene tres de esos enlaces. En los fosfolípidos, una de las tres posiciones la ocupa un grupo fosfato, lo que produce una molécula anfipática: cabeza polar y colas apolares.
El doble enlace cis curva la cadena; la curvatura es lo que da fluidez a la membrana.
Un ácido graso saturado no tiene dobles enlaces, es recto, se empaqueta bien y suele ser sólido a temperatura ambiente. Uno insaturado tiene uno o más dobles enlaces en configuración cis que codan la cadena, impiden el empaquetamiento y bajan el punto de fusión.
Funciones biológicas
Reserva energética: unas 9 kcal/g, más del doble que glúcidos y proteínas, y sin agua de hidratación asociada.
Estructural: la bicapa de fosfolípidos es la base de toda membrana celular.
Protectora y aislante: tejido adiposo, ceras de la cutícula vegetal.
Vitamínica: vehículo de las vitaminas A, D, E y K.
Ejemplo aplicado
Las grasas trans industriales se obtienen hidrogenando parcialmente aceites vegetales. El doble enlace pasa de cis a trans, la cadena vuelve a ser casi recta y la grasa se comporta como saturada: aumenta el colesterol transportado por LDL y reduce el transportado por HDL. Es un caso donde un cambio geométrico mínimo, sin cambiar la fórmula molecular, cambia el efecto fisiológico.
Tres errores frecuentes
Llamar polímeros a los lípidos.Un triglicérido no es una cadena de monómeros repetidos, sino un ensamblaje de tres ácidos grasos sobre un glicerol.
Creer que todo lípido tiene ácidos grasos.Los esteroides y los terpenos son insaponificables: no los contienen.
Tratar el colesterol como un simple veneno.Es componente de las membranas animales y precursor de hormonas esteroideas y vitamina D; lo que se mide como «bueno» y «malo» son las lipoproteínas que lo transportan, no dos colesteroles distintos.
Tema 4 · biomolécula orgánica
Proteínas y enzimas
Veinte piezas, un solo tipo de enlace y una variedad funcional que ninguna otra familia alcanza.
Definición
Las proteínas son polímeros lineales de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Contienen carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, y con frecuencia azufre; ese nitrógeno es lo que las distingue elementalmente de glúcidos y lípidos.
El aminoácido
Un aminoácido tiene un carbono α unido a cuatro grupos: amino (−NH2), carboxilo (−COOH), hidrógeno y una cadena lateral R que es la que cambia. Existen 20 aminoácidos proteinogénicos; los que el organismo humano no sintetiza se llaman esenciales y deben venir de la dieta. Al tener a la vez un grupo ácido y uno básico, los aminoácidos son anfóteros y en disolución existen como zwitteriones.
El enlace peptídico es plano y rígido; eso limita los plegamientos posibles.
Estructura y enlace característico
Nivel
Qué describe
Qué lo estabiliza
Primaria
Secuencia de aminoácidos
Enlace peptídico (covalente)
Secundaria
α-hélice y β-lámina
Puentes de hidrógeno del esqueleto
Terciaria
Plegamiento tridimensional completo
Interacciones hidrofóbicas, puentes disulfuro, iónicos y de hidrógeno
Cuaternaria
Unión de varias subunidades
Las mismas fuerzas, entre cadenas distintas
La desnaturalización por calor, pH extremo o agentes químicos destruye los niveles superiores y con ellos la función, pero conserva la estructura primaria: la clara de huevo cocida sigue teniendo la misma secuencia, solo que ya no puede volver a plegarse.
Funciones biológicas
Estructural: colágeno, queratina, elastina.
Transporte: hemoglobina, albúmina, bombas de membrana.
Enzimática: prácticamente todas las reacciones celulares.
Hormonal: insulina, glucagón, hormona del crecimiento.
Defensa: inmunoglobulinas, fibrinógeno.
Contráctil: actina y miosina.
Enzimas
Una enzima es un catalizador biológico que acelera una reacción disminuyendo su energía de activación, sin consumirse y sin modificar el equilibrio ni la variación de energía libre. Actúa por su centro activo, una cavidad cuya forma explica su especificidad (modelo de ajuste inducido). Su actividad depende del pH, de la temperatura y de la concentración de sustrato, y muchas necesitan cofactores inorgánicos o coenzimas orgánicas, con frecuencia derivadas de vitaminas.
Ejemplo aplicado
En la anemia falciforme, un solo cambio en la estructura primaria de la cadena β de la hemoglobina —ácido glutámico por valina— sustituye un aminoácido polar por uno hidrofóbico. La proteína se agrega, el glóbulo rojo se deforma en hoz y obstruye capilares. Un aminoácido entre 146 basta para producir una enfermedad: la secuencia determina la forma y la forma determina la función.
Tres errores frecuentes
Creer que la enzima desplaza el equilibrio de la reacción.Solo baja la energía de activación: se llega antes al mismo punto, no a otro punto.
Pensar que desnaturalizar rompe los enlaces peptídicos.Se pierden los niveles secundario, terciario y cuaternario; la cadena sigue completa.
Suponer que toda proteína es una enzima.El colágeno y la queratina son proteínas sin actividad catalítica.
Tema 5 · biomolécula orgánica
Ácidos nucleicos
La única familia cuya función principal no es material ni energética, sino informativa.
Definición
Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos que almacenan, transmiten y expresan la información genética. Contienen carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo.
Estructura y enlace característico
Un nucleótido se compone de tres piezas: una base nitrogenada, una pentosa y un grupo fosfato. Sin el fosfato, el conjunto se llama nucleósido. Las bases son púricas —adenina y guanina, de doble anillo— o pirimídicas —citosina, timina y uracilo, de un solo anillo—. Los nucleótidos se unen entre sí por el enlace fosfodiéster entre el carbono 3' de una pentosa y el 5' de la siguiente, lo que da a la cadena una dirección definida.
Fosfodiéster dentro de la hebra, puentes de hidrógeno entre hebras.
ADN frente a ARN
ADN
ARN
Pentosa
Desoxirribosa
Ribosa
Bases
A, T, G, C
A, U, G, C
Hebras
Doble hélice antiparalela
Generalmente una sola
Función
Almacenar la información
Transcribirla y traducirla
La doble hélice descrita por Watson y Crick en 1953 se sostiene por complementariedad de bases: adenina con timina mediante dos puentes de hidrógeno, guanina con citosina mediante tres. De ahí las reglas de Chargaff: %A = %T y %G = %C. Existen tres ARN principales: mensajero, ribosómico y de transferencia.
Funciones biológicas
Almacenamiento y transmisión hereditaria de la información.
Síntesis de proteínas, en la transcripción y la traducción.
Transferencia de energía: el ATP es un nucleótido.
Función coenzimática: NAD+, FAD y coenzima A derivan de nucleótidos.
Ejemplo aplicado
En la PCR, cada ciclo empieza calentando la muestra hasta separar las dos hebras. La temperatura necesaria depende de la proporción de guanina y citosina: como el par G≡C tiene tres puentes de hidrógeno y el par A=T solo dos, un fragmento rico en GC exige más calor para abrirse. Un dato de química elemental fija un parámetro de laboratorio.
Tres errores frecuentes
Confundir nucleósido con nucleótido.La diferencia es el grupo fosfato; sin él no hay enlace fosfodiéster posible.
Creer que las dos hebras se unen por enlaces covalentes.Se unen por puentes de hidrógeno, y por eso pueden separarse y volver a unirse sin romper la molécula.
Suponer que el ARN es siempre una cadena lineal suelta.El ARN de transferencia se pliega sobre sí mismo con apareamientos internos y adopta forma de trébol.
Tema 6 · micronutrientes
Vitaminas
No construyen tejidos ni aportan energía; sin ellas, las enzimas que hacen ambas cosas no trabajan.
Definición
Las vitaminas son biomoléculas orgánicas que el organismo necesita en cantidades muy pequeñas, que no puede sintetizar en cantidad suficiente y que no aportan energía. Su papel principal es actuar como coenzimas o como precursoras de coenzimas.
Clasificación
La solubilidad decide cómo se absorben, si se almacenan y si pueden llegar a ser tóxicas.
Hidrosolubles: complejo B y vitamina C. No se almacenan, el exceso se elimina por la orina y hay que ingerirlas con frecuencia.
Liposolubles: A, D, E y K. Se absorben con las grasas, requieren sales biliares y se acumulan en hígado y tejido adiposo, de modo que el exceso puede resultar tóxico.
Funciones y carencias
Vitamina
Función destacada
Carencia
B1 tiamina
Coenzima del metabolismo de glúcidos
Beriberi
B3 niacina
Componente del NAD+
Pelagra
B9 y B12
Síntesis de ADN y maduración de eritrocitos
Anemia megaloblástica
C ácido ascórbico
Síntesis de colágeno, antioxidante
Escorbuto
A retinol
Pigmentos visuales, epitelios
Xeroftalmía, ceguera nocturna
D calciferol
Absorción intestinal de calcio
Raquitismo, osteomalacia
E tocoferol
Antioxidante de membranas
Rara; alteraciones neurológicas
K filoquinona
Factores de coagulación
Hemorragias
Algunas se obtienen a partir de provitaminas: el β-caroteno de vegetales se convierte en vitamina A, y el 7-dehidrocolesterol de la piel se convierte en vitamina D por acción de la radiación ultravioleta.
Ejemplo aplicado
La vitamina D es el caso límite de la definición: si la piel recibe suficiente radiación ultravioleta, el propio organismo la sintetiza y deja de ser estrictamente una vitamina para comportarse como una hormona. En personas con poca exposición solar, ropa cubriente o piel muy pigmentada, esa síntesis baja y la ingesta pasa a ser indispensable.
Tres errores frecuentes
Creer que las vitaminas dan energía.No aportan calorías; permiten que funcionen las enzimas que sí liberan energía de otros nutrientes.
Suponer que cuanto más, mejor.El exceso de vitaminas liposolubles se acumula y produce hipervitaminosis, especialmente con A y D.
Pensar que la cocción destruye todas las vitaminas por igual.Las hidrosolubles se pierden sobre todo disueltas en el agua de cocción; las liposolubles resisten mucho mejor.
