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2.3: Moléculas Biológicas

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    Las moléculas grandes necesarias para la vida que se construyen a partir de moléculas orgánicas más pequeñas se denominan macromoléculas biológicas. Hay cuatro clases principales de macromoléculas biológicas (carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos), y cada una es un componente importante de la célula y realiza una amplia gama de funciones. Combinadas, estas moléculas constituyen la mayor parte de la masa celular. Las macromoléculas biológicas son orgánicas, lo que significa que contienen carbono (con algunas excepciones, como el dióxido de carbono). Además, pueden contener hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre y elementos menores adicionales.

    Carbono

    A menudo se dice que la vida es “a base de carbono”. Esto significa que los átomos de carbono, unidos a otros átomos de carbono u otros elementos, forman los componentes fundamentales de muchas, si no la mayoría, de las moléculas que se encuentran de manera única en los seres vivos. Otros elementos juegan un papel importante en las moléculas biológicas, pero el carbono ciertamente califica como el elemento “fundamento” de las moléculas en los seres vivos. Son las propiedades de unión de los átomos de carbono las que son responsables de su importante papel.

    Unión de Carbono

    El carbono contiene cuatro electrones en su capa externa. Por lo tanto, puede formar cuatro enlaces covalentes con otros átomos o moléculas. La molécula de carbono orgánico más simple es el metano (CH 4), en el que cuatro átomos de hidrógeno se unen a un átomo de carbono (Figura\(\PageIndex{1}\)).

    Diagrama de una molécula de metano.
    Figura\(\PageIndex{1}\): El carbono puede formar cuatro enlaces covalentes para crear una molécula orgánica. La molécula de carbono más simple es el metano (CH 4), representado aquí.

    Sin embargo, las estructuras que son más complejas se hacen usando carbono. Cualquiera de los átomos de hidrógeno puede reemplazarse con otro átomo de carbono unido covalentemente al primer átomo de carbono. De esta manera, se pueden hacer cadenas largas y ramificadas de compuestos de carbono (Figura\(\PageIndex{2}\) a). Los átomos de carbono pueden unirse con átomos de otros elementos, como nitrógeno, oxígeno y fósforo (Figura\(\PageIndex{2}\) b). Las moléculas también pueden formar anillos, que a su vez pueden enlazarse con otros anillos (Figura\(\PageIndex{2}\) c). Esta diversidad de formas moleculares explica la diversidad de funciones de las macromoléculas biológicas y se basa en gran medida en la capacidad del carbono para formar múltiples enlaces consigo mismo y otros átomos.

    Ejemplos de tres moléculas diferentes que contienen carbono.
    Figura\(\PageIndex{2}\): Estos ejemplos muestran tres moléculas (que se encuentran en organismos vivos) que contienen átomos de carbono unidos de diversas maneras a otros átomos de carbono y a los átomos de otros elementos. (a) Esta molécula de ácido esteárico tiene una larga cadena de átomos de carbono. (b) La glicina, un componente de las proteínas, contiene átomos de carbono, nitrógeno, oxígeno e hidrógeno. (c) La glucosa, un azúcar, tiene un anillo de átomos de carbono y un átomo de oxígeno.

    Carbohidratos

    Los carbohidratos son macromoléculas con las que la mayoría de los consumidores están algo familiarizados. Para bajar de peso, algunos individuos se adhieren a dietas “bajas en carbohidratos”. Los atletas, en contraste, a menudo “carb-cargan” antes de importantes competiciones para asegurarse de que tienen la energía suficiente para competir a un alto nivel. Los carbohidratos son, de hecho, una parte esencial de nuestra dieta; los granos, frutas y verduras son todas fuentes naturales de carbohidratos. Los carbohidratos aportan energía al cuerpo, particularmente a través de la glucosa, un azúcar simple. Los carbohidratos también tienen otras funciones importantes en humanos, animales y plantas.

    Los carbohidratos se pueden representar por la fórmula (CH 2 O) n, donde n es el número de átomos de carbono en la molécula. En otras palabras, la relación de carbono a hidrógeno a oxígeno es de 1:2:1 en las moléculas de carbohidratos. Los carbohidratos se clasifican en tres subtipos: monosacáridos, disacáridos y polisacáridos.

    Los monosacáridos (mono- = “uno”; sacchar- = “dulce”) son azúcares simples, el más común de los cuales es la glucosa. En los monosacáridos, el número de átomos de carbono suele oscilar entre tres y seis. La mayoría de los nombres de monosacáridos terminan con el sufijo -ose. Dependiendo del número de átomos de carbono en el azúcar, pueden conocerse como triosas (tres átomos de carbono), pentosas (cinco átomos de carbono) y hexosas (seis átomos de carbono).

    Los monosacáridos pueden existir como una cadena lineal o como moléculas en forma de anillo; en soluciones acuosas, generalmente se encuentran en forma de anillo.

    La fórmula química para la glucosa es C 6 H 12 O 6. En la mayoría de las especies vivas, la glucosa es una fuente importante de energía. Durante la respiración celular, se libera energía de la glucosa, y esa energía se usa para ayudar a producir trifosfato de adenosina (ATP). Las plantas sintetizan glucosa utilizando dióxido de carbono y agua mediante el proceso de fotosíntesis, y la glucosa, a su vez, se utiliza para los requerimientos energéticos de la planta. El exceso de glucosa sintetizada a menudo se almacena como almidón que es descompuesto por otros organismos que se alimentan de plantas.

    La galactosa (parte de la lactosa, o azúcar de la leche) y la fructosa (que se encuentra en la fruta) son otros monosacáridos comunes. Aunque la glucosa, galactosa y fructosa tienen la misma fórmula química (C 6 H 12 O 6), difieren estructural y químicamente (y se conocen como isómeros) debido a las diferentes disposiciones de los átomos en la cadena de carbono (Figura\(\PageIndex{3}\)).

    Estructuras químicas de glucosa, galactosa y fructosa.
    Figura\(\PageIndex{3}\): La glucosa, galactosa y fructosa son monosacáridos isoméricos, lo que significa que tienen la misma fórmula química pero estructuras ligeramente diferentes.

    Los disacáridos (di- = “dos”) se forman cuando dos monosacáridos experimentan una reacción de deshidratación (reacción en la que se produce la eliminación de una molécula de agua). Durante este proceso, el grupo hidroxilo (—OH) de un monosacárido se combina con un átomo de hidrógeno de otro monosacárido, liberando una molécula de agua (H 2 O) y formando un enlace covalente entre los átomos en las dos moléculas de azúcar.

    Los disacáridos comunes incluyen lactosa, maltosa y sacarosa. La lactosa es un disacárido que consiste en los monómeros glucosa y galactosa. Se encuentra naturalmente en la leche. La maltosa, o azúcar de malta, es un disacárido formado a partir de una reacción de deshidratación entre dos moléculas de glucosa. El disacárido más común es la sacarosa, o azúcar de mesa, que se compone de los monómeros glucosa y fructosa.

    Una larga cadena de monosacáridos unidos por enlaces covalentes se conoce como polisacárido (poli- = “muchos”). La cadena puede ser ramificada o no ramificada, y puede contener diferentes tipos de monosacáridos. Los polisacáridos pueden ser moléculas muy grandes. El almidón, el glucógeno, la celulosa y la quitina son ejemplos de polisacáridos.

    El almidón es la forma almacenada de azúcares en las plantas y está compuesta por amilosa y amilopectina (ambos polímeros de glucosa). Las plantas son capaces de sintetizar glucosa, y el exceso de glucosa se almacena como almidón en diferentes partes de la planta, incluyendo raíces y semillas. El almidón que consumen los animales se descompone en moléculas más pequeñas, como la glucosa. Las células pueden entonces absorber la glucosa.

    El glucógeno es la forma de almacenamiento de la glucosa en humanos y otros vertebrados, y se compone de monómeros de glucosa. El glucógeno es el equivalente animal del almidón y es una molécula altamente ramificada que generalmente se almacena en células hepáticas y musculares. Siempre que los niveles de glucosa disminuyen, el glucógeno se descompone para liberar glucosa.

    La celulosa es uno de los biopolímeros naturales más abundantes. Las paredes celulares de las plantas están hechas principalmente de celulosa, lo que proporciona soporte estructural a la célula. La madera y el papel son principalmente de naturaleza celulósica. La celulosa está compuesta por monómeros de glucosa que están unidos por enlaces entre átomos de carbono particulares en la molécula de glucosa.

    Todos los demás monómeros de glucosa en la celulosa se voltean y se empaquetan firmemente como cadenas largas extendidas. Esto le da a la celulosa su rigidez y alta resistencia a la tracción, lo que es muy importante para las células vegetales. La celulosa que pasa por nuestro sistema digestivo se llama fibra dietética. Si bien los enlaces glucosa-glucosa en la celulosa no pueden ser desagregados por las enzimas digestivas humanas, los herbívoros como las vacas, los búfalos y los caballos son capaces de digerir el pasto que es rico en celulosa y usarlo como fuente de alimento. En estos animales, ciertas especies de bacterias residen en el rumen (parte del sistema digestivo de los herbívoros) y secretan la enzima celulasa. El apéndice también contiene bacterias que descomponen la celulosa, dándole un papel importante en los sistemas digestivos de los rumiantes. Las celulasas pueden descomponer la celulosa en monómeros de glucosa que pueden ser utilizados como fuente de energía por el animal.

    Los carbohidratos cumplen otras funciones en diferentes animales. Los artrópodos, como insectos, arañas y cangrejos, tienen un esqueleto externo, llamado exoesqueleto, que protege las partes internas de su cuerpo. Este exoesqueleto está hecho de la macromolécula biológica quitina, que es un carbohidrato nitrogenado. Está hecho de unidades repetitivas de un azúcar modificado que contiene nitrógeno.

    Así, a través de diferencias en la estructura molecular, los carbohidratos son capaces de cumplir las muy diferentes funciones de almacenamiento de energía (almidón y glucógeno) y soporte estructural y protección (celulosa y quitina) (Figura\(\PageIndex{4}\)).

    Estructuras químicas de almidón, glucógeno, celulosa y quitina.
    Figura\(\PageIndex{4}\): Aunque sus estructuras y funciones difieren, todos los carbohidratos polisacáridos están compuestos por monosacáridos y tienen la fórmula química (CH 2 O) n.

    CARRERAS EN ACCIÓN: Dietista Registrado

    La obesidad es un problema de salud mundial, y muchas enfermedades, como la diabetes y las enfermedades cardíacas, son cada vez más frecuentes debido a la obesidad. Esta es una de las razones por las que cada vez más se busca asesoramiento a los dietistas registrados. Los dietistas registrados ayudan a planificar programas de alimentación y nutrición para individuos en diversos entornos. A menudo trabajan con pacientes en centros de salud, diseñando planes de nutrición para prevenir y tratar enfermedades. Por ejemplo, los dietistas pueden enseñar a un paciente con diabetes cómo controlar los niveles de azúcar en la sangre comiendo los tipos y cantidades correctos de carbohidratos. Los dietistas también pueden trabajar en hogares de ancianos, escuelas y prácticas privadas.

    Para convertirse en dietista registrado, uno necesita obtener al menos una licenciatura en dietética, nutrición, tecnología alimentaria o un campo relacionado. Además, los dietistas registrados deben completar un programa de pasantías supervisadas y aprobar un examen nacional. Quienes cursan carreras en dietética toman cursos de nutrición, química, bioquímica, biología, microbiología y fisiología humana. Los dietistas deben convertirse en expertos en la química y funciones de los alimentos (proteínas, carbohidratos y grasas).

    Lípidos

    Los lípidos incluyen un grupo diverso de compuestos que están unidos por una característica común. Los lípidos son hidrófobos (“temerosos del agua”), o insolubles en agua, porque son moléculas no polares. Esto se debe a que son hidrocarburos que incluyen únicamente enlaces carbono-carbono o carbono-hidrógeno no polares. Los lípidos realizan muchas funciones diferentes en una célula. Las células almacenan energía para su uso a largo plazo en forma de lípidos llamados grasas. Los lípidos también proporcionan aislamiento del ambiente para plantas y animales (Figura\(\PageIndex{5}\)). Por ejemplo, ayudan a mantener secos a las aves y mamíferos acuáticos debido a su naturaleza repelente al agua. Los lípidos también son los bloques de construcción de muchas hormonas y son un constituyente importante de la membrana plasmática. Los lípidos incluyen grasas, aceites, ceras, fosfolípidos y esteroides.

    Una foto de una nutria de río en el agua
    Figura\(\PageIndex{5}\): Los lípidos hidrófobos en el pelaje de mamíferos acuáticos, como esta nutria de río, los protegen de los elementos. (crédito: Ken Bosma)

    Una molécula de grasa, como un triglicérido, consta de dos componentes principales: glicerol y ácidos grasos. El glicerol es un compuesto orgánico con tres átomos de carbono, cinco átomos de hidrógeno y tres grupos hidroxilo (—OH). Los ácidos grasos tienen una larga cadena de hidrocarburos a la que se une un grupo carboxilo ácido, de ahí el nombre de “ácido graso”. El número de carbonos en el ácido graso puede variar de 4 a 36; los más comunes son los que contienen 12—18 carbonos. En una molécula de grasa, se une un ácido graso a cada uno de los tres átomos de oxígeno en los grupos —OH de la molécula de glicerol con un enlace covalente (Figura\(\PageIndex{6}\)).

    Imágenes de las estructuras moleculares de un ácido graso saturado, ácido graso insaturado, triglicérido, esteroide y fosfolípido.
    Figura\(\PageIndex{6}\): Los lípidos incluyen grasas, como los triglicéridos, los cuales están compuestos por ácidos grasos y glicerol, fosfolípidos y esteroides.

    Durante esta formación de enlace covalente, se liberan tres moléculas de agua. Los tres ácidos grasos en la grasa pueden ser similares o disímiles. Estas grasas también se llaman triglicéridos porque tienen tres ácidos grasos. Algunos ácidos grasos tienen nombres comunes que especifican su origen. Por ejemplo, el ácido palmítico, un ácido graso saturado, se deriva de la palmera. El ácido araquídico se deriva de Arachis hypogaea, el nombre científico de los cacahuetes.

    Los ácidos grasos pueden ser saturados o insaturados. En una cadena de ácidos grasos, si solo hay enlaces simples entre los carbonos vecinos en la cadena hidrocarbonada, el ácido graso está saturado. Los ácidos grasos saturados están saturados con hidrógeno; en otras palabras, se maximiza el número de átomos de hidrógeno unidos al esqueleto de carbono.

    Cuando la cadena hidrocarbonada contiene un doble enlace, el ácido graso es un ácido graso insaturado.

    La mayoría de las grasas insaturadas son líquidas a temperatura ambiente y se llaman aceites. Si hay un doble enlace en la molécula, entonces se le conoce como grasa monoinsaturada (por ejemplo, aceite de oliva), y si hay más de un doble enlace, entonces se le conoce como grasa poliinsaturada (por ejemplo, aceite de canola).

    Las grasas saturadas tienden a empaquetarse herméticamente y son sólidas a temperatura ambiente. Las grasas animales con ácido esteárico y ácido palmítico contenidas en la carne, y las grasas con ácido butírico contenidas en la mantequilla, son ejemplos de grasas saturadas. Los mamíferos almacenan grasas en células especializadas llamadas adipocitos, donde los glóbulos de grasa ocupan la mayor parte de la célula. En las plantas, la grasa o el aceite se almacena en las semillas y se utiliza como fuente de energía durante el desarrollo embrionario.

    Las grasas o aceites insaturados suelen ser de origen vegetal y contienen ácidos grasos insaturados. El doble enlace provoca una curva o un “pliegue” que evita que los ácidos grasos se empaqueten herméticamente, manteniéndolos líquidos a temperatura ambiente. Aceite de oliva, aceite de maíz, aceite de canola y aceite de hígado de bacalao son ejemplos de grasas insaturadas. Las grasas insaturadas ayudan a mejorar los niveles de colesterol en sangre, mientras que las grasas saturadas contribuyen a la formación de placa en las arterias, lo que aumenta el riesgo de un ataque cardíaco.

    En la industria alimentaria, los aceites se hidrogenan artificialmente para hacerlos semisólidos, lo que lleva a menos deterioro y mayor vida útil. Simplemente hablando, el gas hidrógeno se burbujea a través de los aceites para solidificarlos. Durante este proceso de hidrogenación, los dobles enlaces de la conformación cis en la cadena hidrocarbonada pueden convertirse en dobles enlaces en la conformación trans. Esto forma una grasa trans a partir de una grasa cis. La orientación de los dobles enlaces afecta las propiedades químicas de la grasa (Figura\(\PageIndex{7}\)).

    Dos imágenes muestran la estructura molecular de una grasa en la conformación cis y la transconformación.
    Figura\(\PageIndex{7}\): Durante el proceso de hidrogenación se cambia la orientación alrededor de los dobles enlaces, haciendo una grasa trans a partir de una grasa cis. Esto cambia las propiedades químicas de la molécula.

    La margarina, algunos tipos de mantequilla de maní y la manteca son ejemplos de grasas trans hidrogenadas artificialmente. Estudios recientes han demostrado que un aumento de las grasas trans en la dieta humana puede llevar a un aumento en los niveles de lipoproteína de baja densidad (LDL), o colesterol “malo”, lo que, a su vez, puede llevar a la deposición de placa en las arterias, resultando en enfermedades cardíacas. Muchos restaurantes de comida rápida han eliminado recientemente el uso de grasas trans, y ahora se requiere que las etiquetas de los alimentos de Estados Unidos enumeren su contenido de grasas trans.

    Los ácidos grasos esenciales son ácidos grasos que son requeridos pero no sintetizados por el cuerpo humano. En consecuencia, deben complementarse a través de la dieta. Los ácidos grasos omega-3 entran en esta categoría y son uno de los dos únicos ácidos grasos esenciales conocidos para los humanos (siendo el otro los ácidos grasos omega-6). Son un tipo de grasa poliinsaturada y se denominan ácidos grasos omega-3 debido a que el tercer carbono del extremo del ácido graso participa en un doble enlace.

    El salmón, la trucha y el atún son buenas fuentes de ácidos grasos omega-3. Los ácidos grasos omega-3 son importantes en la función cerebral y en el crecimiento y desarrollo normales. También pueden prevenir enfermedades cardíacas y reducir el riesgo de cáncer.

    Al igual que los carbohidratos, las grasas han recibido mucha mala publicidad. Es cierto que comer un exceso de alimentos fritos y otros alimentos “grasos” conduce al aumento de peso. Sin embargo, las grasas tienen funciones importantes. Las grasas sirven como almacenamiento de energía a largo plazo. También proporcionan aislamiento para el cuerpo. Por lo tanto, las grasas insaturadas “saludables” en cantidades moderadas deben consumirse de forma regular.

    Los fosfolípidos son el constituyente principal de la membrana plasmática. Al igual que las grasas, están compuestas por cadenas de ácidos grasos unidas a una cadena principal de glicerol o similar. En lugar de tres ácidos grasos unidos, sin embargo, hay dos ácidos grasos y el tercer carbono de la cadena principal de glicerol está unido a un grupo fosfato. El grupo fosfato se modifica mediante la adición de un alcohol.

    Un fosfolípido tiene regiones tanto hidrofóbicas como hidrófilas. Las cadenas de ácidos grasos son hidrofóbicas y se excluyen del agua, mientras que el fosfato es hidrófilo e interactúa con el agua.

    Las células están rodeadas por una membrana, que tiene una bicapa de fosfolípidos. Los ácidos grasos de los fosfolípidos se enfrentan dentro, lejos del agua, mientras que el grupo fosfato puede enfrentar ya sea el ambiente exterior o el interior de la célula, los cuales son ambos acuosos.

    Esteroides y ceras

    A diferencia de los fosfolípidos y grasas discutidos anteriormente, los esteroides tienen una estructura de anillo. Aunque no se asemejan a otros lípidos, se agrupan con ellos porque también son hidrófobos. Todos los esteroides tienen cuatro anillos de carbono unidos y varios de ellos, como el colesterol, tienen una cola corta.

    El colesterol es un esteroide. El colesterol se sintetiza principalmente en el hígado y es el precursor de muchas hormonas esteroides, como la testosterona y el estradiol. También es el precursor de las vitaminas E y K. El colesterol es el precursor de las sales biliares, que ayudan en la descomposición de las grasas y su posterior absorción por las células. Aunque a menudo se habla del colesterol en términos negativos, es necesario para el correcto funcionamiento del organismo. Es un componente clave de las membranas plasmáticas de las células animales.

    Las ceras están compuestas por una cadena hidrocarbonada con un grupo alcohol (—OH) y un ácido graso. Ejemplos de ceras animales incluyen cera de abejas y lanolina. Las plantas también tienen ceras, como el recubrimiento en sus hojas, que ayuda a evitar que se sequen.

    CONCEPT EN ACCIÓN

    Para una perspectiva adicional sobre los lípidos, explore “Biomoléculas: Los lípidos” a través de esta animación interactiva.

    Proteínas

    Las proteínas son una de las moléculas orgánicas más abundantes en los sistemas vivos y tienen el rango de funciones más diverso de todas las macromoléculas. Las proteínas pueden ser estructurales, reguladoras, contráctiles o protectoras; pueden servir en el transporte, almacenamiento o membranas; o pueden ser toxinas o enzimas. Cada célula en un sistema vivo puede contener miles de proteínas diferentes, cada una con una función única. Sus estructuras, al igual que sus funciones, varían mucho. Todos son, sin embargo, polímeros de aminoácidos, dispuestos en una secuencia lineal.

    Las funciones de las proteínas son muy diversas porque hay 20 aminoácidos diferentes químicamente distintos que forman cadenas largas, y los aminoácidos pueden estar en cualquier orden. Por ejemplo, las proteínas pueden funcionar como enzimas u hormonas. Las enzimas, que son producidas por las células vivas, son catalizadores en reacciones bioquímicas (como la digestión) y suelen ser proteínas. Cada enzima es específica para el sustrato (un reactivo que se une a una enzima) sobre el cual actúa. Las enzimas pueden funcionar para romper enlaces moleculares, reorganizar enlaces o formar nuevos enlaces. Un ejemplo de una enzima es la amilasa salival, que descompone la amilosa, un componente del almidón.

    Las hormonas son moléculas de señalización química, generalmente proteínas o esteroides, secretadas por una glándula endocrina o grupo de células endocrinas que actúan para controlar o regular procesos fisiológicos específicos, incluyendo crecimiento, desarrollo, metabolismo y reproducción. Por ejemplo, la insulina es una hormona proteica que mantiene los niveles de glucosa en sangre.

    Las proteínas tienen diferentes formas y pesos moleculares; algunas proteínas tienen forma globular mientras que otras son de naturaleza fibrosa. Por ejemplo, la hemoglobina es una proteína globular, pero el colágeno, que se encuentra en nuestra piel, es una proteína fibrosa. La forma de la proteína es crítica para su función. Los cambios en la temperatura, el pH y la exposición a sustancias químicas pueden conducir a cambios permanentes en la forma de la proteína, lo que lleva a una pérdida de función o desnaturalización (que se discutirá con más detalle más adelante). Todas las proteínas están compuestas por diferentes arreglos de los mismos 20 tipos de aminoácidos.

    Los aminoácidos son los monómeros que componen las proteínas. Cada aminoácido tiene la misma estructura fundamental, la cual consiste en un átomo de carbono central unido a un grupo amino (-NH 2), un grupo carboxilo (—COOH) y un átomo de hidrógeno. Cada aminoácido también tiene otro átomo variable o grupo de átomos unidos al átomo de carbono central conocido como el grupo R. El grupo R es la única diferencia de estructura entre los 20 aminoácidos; de lo contrario, los aminoácidos son idénticos (Figura\(\PageIndex{8}\)).

    Se muestra la estructura molecular fundamental de un aminoácido. También se muestran las estructuras moleculares de alanina, valina, lisina y ácido aspártico, que varían solo en la estructura del grupo R
    Figura\(\PageIndex{8}\): Los aminoácidos están formados por un carbono central unido a un grupo amino (-NH 2), un grupo carboxilo (-COOH) y un átomo de hidrógeno. El cuarto enlace del carbono central varía entre los diferentes aminoácidos, como se ve en estos ejemplos de alanina, valina, lisina y ácido aspártico.

    La naturaleza química del grupo R determina la naturaleza química del aminoácido dentro de su proteína (es decir, si es ácido, básico, polar o no polar).

    La secuencia y el número de aminoácidos determinan en última instancia la forma, el tamaño y la función de una proteína. Cada aminoácido está unido a otro aminoácido por un enlace covalente, conocido como enlace peptídico, que se forma por una reacción de deshidratación. El grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino de un segundo aminoácido se combinan, liberando una molécula de agua. El enlace resultante es el enlace peptídico.

    Los productos formados por tal enlace se denominan polipéptidos. Si bien los términos polipéptido y proteína a veces se usan indistintamente, un polipéptido es técnicamente un polímero de aminoácidos, mientras que el término proteína se usa para un polipéptido o polipéptidos que se han combinado entre sí, tienen una forma distinta y tienen una función única.

    EVOLUCIÓN EN ACCIÓN: La significación evolutiva del citocromo c

    El citocromo c es un componente importante de la maquinaria molecular que cosecha energía de la glucosa. Debido a que el papel de esta proteína en la producción de energía celular es crucial, ha cambiado muy poco a lo largo de millones de años. La secuenciación de proteínas ha demostrado que existe una cantidad considerable de similitud de secuencia entre las moléculas del citocromo c de diferentes especies; las relaciones evolutivas se pueden evaluar midiendo las similitudes o diferencias entre las secuencias proteicas de varias especies.

    Por ejemplo, los científicos han determinado que el citocromo c humano contiene 104 aminoácidos. Por cada molécula de citocromo c que ha sido secuenciada hasta la fecha de diferentes organismos, 37 de estos aminoácidos aparecen en la misma posición en cada citocromo c. Esto indica que todos estos organismos descienden de un ancestro común. Al comparar las secuencias de proteína humana y de chimpancé, no se encontró diferencia de secuencia. Cuando se compararon las secuencias de humanos y monos rhesus, se encontró una sola diferencia en un aminoácido. En contraste, las comparaciones entre humanos y levaduras muestran una diferencia en 44 aminoácidos, lo que sugiere que los humanos y los chimpancés tienen un ancestro común más reciente que los humanos y el mono rhesus, o los humanos y la levadura.

    Estructura proteica

    Como se discutió anteriormente, la forma de una proteína es crítica para su función. Para entender cómo la proteína obtiene su forma o conformación final, necesitamos comprender los cuatro niveles de estructura de la proteína: primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria (Figura\(\PageIndex{9}\)).

    La secuencia única y el número de aminoácidos en una cadena polipeptídica es su estructura primaria. La secuencia única para cada proteína está determinada en última instancia por el gen que codifica la proteína. Cualquier cambio en la secuencia génica puede llevar a que se agregue un aminoácido diferente a la cadena polipeptídica, provocando un cambio en la estructura y función de la proteína. En la anemia falciforme, la cadena β de la hemoglobina presenta una sola sustitución de aminoácido, provocando un cambio tanto en la estructura como en la función de la proteína. Lo más destacable a considerar es que una molécula de hemoglobina está compuesta por dos cadenas alfa y dos cadenas beta que constan cada una de aproximadamente 150 aminoácidos. La molécula, por lo tanto, tiene alrededor de 600 aminoácidos. La diferencia estructural entre una molécula de hemoglobina normal y una molécula de células falciformes, que disminuye drásticamente la esperanza de vida en los individuos afectados, es un solo aminoácido de los 600.

    Debido a este cambio de un aminoácido en la cadena, los glóbulos rojos normalmente bicóncavos, o en forma de disco, asumen una forma de media luna o “hoz”, que obstruye las arterias. Esto puede llevar a una miríada de problemas de salud graves, como dificultad para respirar, mareos, dolores de cabeza y dolor abdominal para quienes tienen esta enfermedad.

    Los patrones de plegamiento resultantes de las interacciones entre las porciones de aminoácidos que no son del grupo R dan lugar a la estructura secundaria de la proteína. Las más comunes son las estructuras de lámina plegada alfa (α) -hélice y beta (β). Ambas estructuras se mantienen en forma mediante enlaces de hidrógeno. En la hélice alfa, los enlaces se forman entre cada cuarto aminoácido y provocan una torsión en la cadena de aminoácidos.

    En la lámina plisada β, los “pliegues” están formados por enlaces de hidrógeno entre átomos en la cadena principal de la cadena polipeptídica. Los grupos R están unidos a los carbonos, y se extienden por encima y por debajo de los pliegues del plisado. Los segmentos plisados se alinean paralelos entre sí, y se forman enlaces de hidrógeno entre los mismos pares de átomos en cada uno de los aminoácidos alineados. Las estructuras de hélice α y lámina plisada β se encuentran en muchas proteínas globulares y fibrosas.

    La estructura tridimensional única de un polipéptido se conoce como su estructura terciaria. Esta estructura es causada por interacciones químicas entre diversos aminoácidos y regiones del polipéptido. Principalmente, las interacciones entre los grupos R crean la compleja estructura terciaria tridimensional de una proteína. Puede haber enlaces iónicos formados entre grupos R en diferentes aminoácidos, o enlaces de hidrógeno más allá de los involucrados en la estructura secundaria. Cuando se realiza el plegamiento de proteínas, los grupos R hidrófobos de aminoácidos no polares se encuentran en el interior de la proteína, mientras que los grupos R hidrófilos se encuentran en el exterior. Los primeros tipos de interacciones también se conocen como interacciones hidrofóbicas.

    En la naturaleza, algunas proteínas se forman a partir de varios polipéptidos, también conocidos como subunidades, y la interacción de estas subunidades forma la estructura cuaternaria. Las interacciones débiles entre las subunidades ayudan a estabilizar la estructura general. Por ejemplo, la hemoglobina es una combinación de cuatro subunidades polipeptídicas.

    Cuatro tipos de estructura proteica
    Figura\(\PageIndex{9}\): Los cuatro niveles de estructura proteica se pueden observar en estas ilustraciones. (crédito: modificación del trabajo por parte del Instituto Nacional de Investigaciones del Genoma Humano)

    Cada proteína tiene su propia secuencia y forma únicas unidas por interacciones químicas. Si la proteína está sujeta a cambios de temperatura, pH o exposición a productos químicos, la estructura de la proteína puede cambiar, perdiendo su forma en lo que se conoce como desnaturalización como se discutió anteriormente. La desnaturalización suele ser reversible porque la estructura primaria se conserva si se elimina el agente desnaturalizante, permitiendo que la proteína reanude su función. A veces la desnaturalización es irreversible, lo que lleva a una pérdida de función. Un ejemplo de desnaturalización de proteínas se puede ver cuando se fríe o hierve un huevo. La proteína albúmina en la clara de huevo líquida se desnaturaliza cuando se coloca en una sartén caliente, cambiando de una sustancia transparente a una sustancia blanca opaca. No todas las proteínas se desnaturalizan a altas temperaturas; por ejemplo, las bacterias que sobreviven en las aguas termales tienen proteínas que se adaptan para funcionar a esas temperaturas.

    CONCEPT EN ACCIÓN

    Para una perspectiva adicional sobre las proteínas, explore “Biomoléculas: Las proteínas” a través de esta animación interactiva.

    Ácidos Nucleicos

    Los ácidos nucleicos son macromoléculas clave en la continuidad de la vida. Llevan el plano genético de una célula y llevan instrucciones para el funcionamiento de la célula.

    Los dos tipos principales de ácidos nucleicos son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). El ADN es el material genético que se encuentra en todos los organismos vivos, desde bacterias unicelulares hasta mamíferos multicelulares.

    El otro tipo de ácido nucleico, el ARN, está principalmente involucrado en la síntesis de proteínas. Las moléculas de ADN nunca abandonan el núcleo, sino que utilizan un intermediario de ARN para comunicarse con el resto de la célula. Otros tipos de ARN también están involucrados en la síntesis de proteínas y su regulación.

    El ADN y el ARN están constituidos por monómeros conocidos como nucleótidos. Los nucleótidos se combinan entre sí para formar un polinucleótido, ADN o ARN. Cada nucleótido se compone de tres componentes: una base nitrogenada, un azúcar pentosa (cinco carbonos) y un grupo fosfato (Figura\(\PageIndex{10}\)). Cada base nitrogenada en un nucleótido está unida a una molécula de azúcar, que está unida a un grupo fosfato.

    Estructura de un nucleótido.
    Figura\(\PageIndex{10}\): Un nucleótido se compone de tres componentes: una base nitrogenada, un azúcar pentosa y un grupo fosfato.

    Estructura de doble hélice de ADN

    El ADN tiene una estructura de doble hélice (Figura\(\PageIndex{11}\)). Se compone de dos cadenas, o polímeros, de nucleótidos. Las cadenas se forman con enlaces entre grupos fosfato y azúcar de nucleótidos adyacentes. Las hebras están unidas entre sí en sus bases con enlaces de hidrógeno, y las hebras se enrollan alrededor de otras a lo largo de su longitud, de ahí la descripción de “doble hélice”, que significa una doble espiral.

    Doble hélice de ADN.
    Figura\(\PageIndex{11}\): El modelo de doble hélice muestra el ADN como dos cadenas paralelas de moléculas entrelazadas. (crédito: Jerome Walker, Dennis Myts)

    Los grupos alternos de azúcar y fosfato se encuentran en el exterior de cada cadena, formando la columna vertebral del ADN. Las bases nitrogenadas se apilan en el interior, como los escalones de una escalera, y estas bases se emparejan; los pares están unidos entre sí por enlaces de hidrógeno. Las bases se emparejan de tal manera que la distancia entre las cadenas principales de las dos cadenas es la misma a lo largo de la molécula.

    Resumen

    Los seres vivos están basados en el carbono porque el carbono juega un papel tan destacado en la química de los seres vivos. Las cuatro posiciones de enlace covalente del átomo de carbono pueden dar lugar a una amplia diversidad de compuestos con muchas funciones, lo que explica la importancia del carbono en los seres vivos. Los carbohidratos son un grupo de macromoléculas que son una fuente de energía vital para la célula, proporcionan soporte estructural a muchos organismos, y se pueden encontrar en la superficie de la célula como receptores o para el reconocimiento celular. Los carbohidratos se clasifican como monosacáridos, disacáridos y polisacáridos, dependiendo del número de monómeros en la molécula.

    Los lípidos son una clase de macromoléculas que son de naturaleza no polar e hidrófoba. Los tipos principales incluyen grasas y aceites, ceras, fosfolípidos y esteroides. Las grasas y aceites son una forma almacenada de energía y pueden incluir triglicéridos. Las grasas y aceites suelen estar compuestos por ácidos grasos y glicerol.

    Las proteínas son una clase de macromoléculas que pueden realizar una amplia gama de funciones para la célula. Ayudan en el metabolismo aportando soporte estructural y actuando como enzimas, portadores o como hormonas. Los componentes básicos de las proteínas son los aminoácidos. Las proteínas se organizan en cuatro niveles: primario, secundario, terciario y cuaternario. La forma y función de las proteínas están íntimamente ligadas; cualquier cambio en la forma causado por cambios en la temperatura, el pH o la exposición química puede conducir a la desnaturalización de las proteínas y una pérdida de función.

    Los ácidos nucleicos son moléculas compuestas por unidades repetitivas de nucleótidos que dirigen actividades celulares como la división celular y la síntesis de proteínas. Cada nucleótido está compuesto por un azúcar pentosa, una base nitrogenada y un grupo fosfato. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: ADN y ARN.

    Glosario

    aminoácido
    un monómero de una proteína
    carbohidrato
    una macromolécula biológica en la que la relación de carbono a hidrógeno a oxígeno es 1:2:1; los carbohidratos sirven como fuentes de energía y soporte estructural en las células
    celulosa
    un polisacárido que compone las paredes celulares de las plantas y proporciona soporte estructural a la célula
    quitina
    un tipo de carbohidrato que forma el esqueleto externo de los artrópodos, como insectos y crustáceos, y las paredes celulares de los hongos
    desnaturalización
    la pérdida de forma en una proteína como resultado de cambios en la temperatura, el pH o la exposición a productos químicos
    ácido desoxirribonucleico (ADN)
    un polímero bicatenario de nucleótidos que porta la información hereditaria de la célula
    disacárido
    dos monómeros de azúcar que están unidos entre sí por un enlace peptídico
    enzima
    un catalizador en una reacción bioquímica que suele ser una proteína compleja o conjugada
    grasa
    una molécula lipídica compuesta por tres ácidos grasos y un glicerol (triglicérido) que normalmente existe en forma sólida a temperatura ambiente
    glucógeno
    un carbohidrato de almacenamiento en animales
    hormona
    una molécula de señalización química, generalmente una proteína o esteroide, secretada por una glándula endocrina o grupo de células endocrinas; actúa para controlar o regular procesos fisiológicos específicos
    lípidos
    una clase de macromoléculas que son no polares e insolubles en agua
    macromolécula
    una molécula grande, a menudo formada por polimerización de monómeros más pequeños
    monosacárido
    una sola unidad o monómero de carbohidratos
    ácido nucleico
    una macromolécula biológica que transporta la información genética de una célula y lleva instrucciones para el funcionamiento de la célula
    nucleótido
    un monómero de ácidos nucleicos; contiene un azúcar pentosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada
    aceite
    una grasa insaturada que es un líquido a temperatura ambiente
    fosfolípido
    un constituyente principal de las membranas de las células; compuesto por dos ácidos grasos y un grupo fosfato unido a la cadena principal de glicerol
    polipéptido
    una larga cadena de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos
    polisacárido
    una cadena larga de monosacáridos; puede ser ramificada o no ramificada
    proteína
    una macromolécula biológica compuesta por una o más cadenas de aminoácidos
    ácido ribonucleico (ARN)
    un polímero monocatenario de nucleótidos que participa en la síntesis de proteínas
    ácidos grasos saturados
    un hidrocarburo de cadena larga con enlaces covalentes simples en la cadena de carbono; se maximiza el número de átomos de hidrógeno unidos al esqueleto de carbono
    almidón
    un carbohidrato de almacenamiento en plantas
    esteroide
    un tipo de lípido compuesto por cuatro anillos de hidrocarburos condensados
    grasas trans
    una forma de grasa insaturada con los átomos de hidrógeno vecinos al doble enlace uno frente al otro en lugar de en el mismo lado del doble enlace
    triglicérido
    una molécula de grasa; consiste en tres ácidos grasos unidos a una molécula de glicerol
    ácidos grasos insaturados
    un hidrocarburo de cadena larga que tiene uno o más de un doble enlace en la cadena hidrocarbonada

    Colaboradores y Atribuciones


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