23.7: Las moléculas de la vida

Objetivos de aprendizaje

• Identificar las unidades estructurales comunes de moléculas biológicas importantes.

Todos los grupos funcionales descritos en este capítulo se encuentran en las moléculas orgánicas que son constantemente sintetizadas y destruidas por cada organismo vivo de la Tierra. Una comprensión detallada de las reacciones que ocurren en los organismos vivos es el objetivo de la bioquímica, que se ocupa de una amplia variedad de estructuras y reacciones orgánicas. Las sustancias más abundantes que se encuentran en los sistemas vivos pertenecen a cuatro clases principales: proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos. Aquí describimos brevemente la estructura y algunas funciones de estas moléculas biológicas.

Proteínas

En la Sección 12.8, describimos proteínas Un polímero biológico con más de 50 residuos de aminoácidos unidos entre sí por enlaces amida. como polímeros biológicamente activos formados a partir de aminoácidos unidos entre sí por enlaces amida. Además de un grupo amina y un grupo ácido carboxílico, cada aminoácido contiene un grupo R característico (Figura 9.7.1). En el aminoácido más simple, glicina, el grupo R es hidrógeno (-H), pero en otros aminoácidos naturales, el grupo R puede ser un grupo alquilo o un grupo alquilo sustituido, un grupo carboxílico o un grupo arilo. La naturaleza del grupo R determina las propiedades químicas particulares de cada aminoácido. En la Figura 9.7.1, todos los aminoácidos que se encuentran en las proteínas excepto la glicina son compuestos quirales, lo que sugiere que sus interacciones con otros compuestos quirales son selectivas. Algunas proteínas, llamadas enzimas, catalizan reacciones biológicas, mientras que muchas otras tienen funciones estructurales, contráctiles o de señalización. Debido a que hemos descrito las proteínas previamente, no las discutiremos más.

La estructura general de un aminoácido. Un aminoácido es quiral excepto cuando R es un átomo de H.

Carbohidratos

Los carbohidratos son los compuestos orgánicos más abundantes que se encuentran en la naturaleza. Constituyen una porción sustancial de los alimentos que consumimos y nos proporcionan la energía necesaria para mantener la vida. El azúcar de mesa, la leche, la miel y las frutas contienen carbohidratos de baja masa molecular que son fácilmente asimilados por el cuerpo humano. En contraste, las paredes de las células vegetales y la madera contienen carbohidratos de alta masa molecular que no podemos digerir.

Una vez pensados que son hidratos de carbono con la fórmula general C _n (H ₂ O) _m, los carbohidratos son en realidad polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas (es decir, aldehídos o cetonas con varios grupos —OH unidos al hidrocarburo parental). Los carbohidratos más simples consisten en cadenas no ramificadas de tres a ocho átomos de carbono: un átomo de carbono es parte de un grupo carbonilo, y algunos o todos los otros están unidos a grupos hidroxilo. La estructura de un carbohidrato se puede dibujar ya sea como una cadena hidrocarbonada, usando una proyección Fischer, o como un anillo, usando una proyección Haworth (Figura 23.6.1). La proyección de Haworth lleva el nombre del químico británico Sir Walter Norman Haworth, quien fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 1937 por su descubrimiento de que los azúcares existen principalmente en sus formas cíclicas, así como por su colaboración en la síntesis de la vitamina C. La forma cíclica es producto de la nucleofílica ataque por el oxígeno de un grupo hidroxilo sobre el carbono electrófilo del grupo carbonilo dentro de la misma molécula, produciendo una estructura de anillo estable compuesta por cinco o seis carbonos que minimiza la tensión de enlace (Figura 23.6.1). Los sustituyentes en el lado derecho de la cadena de carbono en una proyección Fischer están en la posición “abajo” en la proyección Haworth correspondiente. El ataque del grupo hidroxilo a ambos lados del grupo carbonilo conduce a la formación de dos formas cíclicas, llamadas anómeros: una forma α, con el —OH en la posición “abajo”, y una forma β, con la —OH en la posición “arriba”.

Walter Norman Haworth (1883—1950)

A los 14 años, Walter Norman Haworth dejó la escuela para unirse a su padre para aprender diseño y fabricación de linóleo, pero se interesó por la química a través de su uso de tintes. La tutoría privada le permitió aprobar el examen de ingreso de la Universidad de Manchester, donde recibió su doctorado en 1911. Durante la Primera Guerra Mundial, Haworth organizó los laboratorios en St. Andrews para la producción de químicos y drogas, volviendo a la investigación de carbohidratos después de la guerra.

Figura 23.6.1 Proyección Fischer y Proyección Haworth de Glucosa En solución, los azúcares simples existen predominantemente en forma de anillo, producto del ataque nucleofílico por el oxígeno de un grupo hidroxilo sobre el carbono electrófilo del grupo carbonilo. Las formas α y β, llamadas anómeros, difieren en la configuración en C1.

Los carbohidratos se clasifican según el número de unidades de sacárido único, o azúcar, que contienen (del latín saccharum, que significa “azúcar”). Los más simples son los monosacáridos; un disacárido consiste en dos unidades de monosacárido unidas; un trisacárido tiene tres unidades de monosacárido unidas; y así sucesivamente. La glucosa es un monosacárido y la sacarosa (azúcar común de mesa) es un disacárido. La hidrólisis de la sacarosa produce glucosa y otro monosacárido, la fructosa, en una reacción catalizada por una enzima o por ácido:

Los polisacáridos se hidrolizan para producir más de 10 unidades de monosacáridos.

Los monosacáridos comunes contienen varios carbonos quirales y existen en varias formas isoméricas. Un isómero de la glucosa, por ejemplo, es la galactosa, que difiere de la glucosa en la posición del enlace -OH en el carbono-4:

Debido a que los carbonos-2, -3, -4 y -5 de la glucosa son quirales, cambiar la posición del —OH sobre el carbono-4 no produce un enantiómero de glucosa sino un compuesto diferente, galactosa, con distintas propiedades físicas y químicas. La galactosa es un producto de hidrólisis de la lactosa, un disacárido que se encuentra en la leche. Las personas que padecen galactosemia carecen de la enzima necesaria para convertir la galactosa en glucosa, que luego se metaboliza a CO ₂ y H ₂ O, liberando energía. La galactosa se acumula en su sangre y tejidos, lo que lleva a retraso mental, cataratas y cirrosis del hígado.

Debido a que los carbohidratos tienen un grupo funcional carbonilo y varios grupos hidroxilo, pueden sufrir una variedad de reacciones bioquímicamente importantes. El grupo carbonilo, por ejemplo, puede oxidarse para formar un ácido carboxílico o reducirse para formar un alcohol. Los grupos hidroxilo pueden sufrir reacciones de sustitución, dando como resultado derivados del compuesto original. Uno de esos derivados es la sucralosa, un edulcorante artificial que es seis veces más dulce que la sacarosa; se elabora reemplazando dos de los grupos hidroxilo de la sacarosa por cloro. Los carbohidratos también pueden eliminar los grupos hidroxilo, produciendo alquenos.

Tenga en cuenta el patrón

Debido a que los carbohidratos tienen un grupo funcional carbonilo y varios grupos hidroxilo, pueden sufrir una variedad de reacciones.

Dos polisacáridos familiares son el almidón y la celulosa, los cuales se hidrolizan para producir miles de unidades de glucosa. Se diferencian únicamente en la conexión entre las unidades de glucosa y la cantidad de ramificación en la molécula (Figura 23.6.2). Los almidones pueden ser enrollados o ramificados y son hidrolizados por las enzimas en nuestra saliva y jugos pancreáticos. El almidón animal, llamado glucógeno, se almacena en el hígado y los músculos. Consiste en unidades de glucosa ramificadas unidas por enlaces que producen una estructura enrollada. Las unidades de glucosa en celulosa, en contraste, están unidas para dar cadenas largas, no ramificadas. Las cadenas de celulosa se apilan en filas paralelas unidas por enlaces de hidrógeno entre grupos hidroxilo. Esta disposición produce una estructura rígida que es insoluble en agua.

Figura 23.6.2 Los polisacáridos Los almidones de almidón y celulosa (a) y celulosa (b) difieren en la conexión entre las unidades de glucosa y la cantidad de ramificación en la molécula. Los almidones pueden ser enrollados o ramificados, mientras que la celulosa, el material estructural primario de las plantas, tiene largas cadenas no ramificadas unidas por enlaces de hidrógeno.

La celulosa es el principal material estructural de las plantas y una de las sustancias orgánicas más abundantes de la Tierra. Debido a que nuestras enzimas no son capaces de hidrolizar los enlaces entre las unidades de glucosa en la celulosa, somos incapaces de digerirla. Un producto recientemente comercializado que contenía un alto porcentaje de celulosa se vendió como sustancia dietética para una rápida pérdida de peso, pero quienes lo consumieron experimentaron graves molestias intestinales debido a que la celulosa no pudo ser digerida. El producto fue retirado rápidamente del mercado.

Ejemplo 23.6.1

Se muestra la proyección Fischer de xilosa, que se encuentra en muchas variedades de manzanas. Dibuja la forma de anillo (proyección Haworth) de xilosa.

Dado: Fischer proyección de un azúcar

Preguntado por: estructura cíclica

Estrategia:

A Identificar el nucleófilo y el electrófilo. Indicar el punto de ataque, recordando que las estructuras cíclicas son más estables cuando contienen al menos cinco átomos en el anillo para evitar la deformación del enlace desde ángulos de enlace que son demasiado pequeños.

B Dibujar la forma cíclica de la estructura.

Solución:

A El carbono carbonílico (C1) es un buen electrófilo, y cada oxígeno es un buen nucleófilo. El ataque nucleofílico ocurre del grupo —OH en C4, produciendo un anillo estable de cinco miembros.

B Debido a la rotación alrededor del enlace entre C1 y C2, la formación del anillo da ambos anómeros a y b, con las siguientes estructuras (los átomos de H se han omitido para mayor claridad):

Ejercicio

Dibujar la (s) forma (s) cíclica (s) de galactosa, cuya proyección de Fischer se muestra en la discusión anterior.

Contestar

Lípidos

Lípidos Familia de compuestos que incluye grasas, ceras, algunas vitaminas y esteroides y que se caracterizan por su insolubilidad en agua. (del griego lipos, que significa “grasa” o “manteca de cerdo”) se caracterizan por su insolubilidad en agua. Forman una familia de compuestos que incluye grasas, ceras, algunas vitaminas y esteroides. Los ácidos grasos, los lípidos más simples, tienen una larga cadena hidrocarbonada que termina con un grupo funcional ácido carboxílico. En los ácidos grasos saturados, las cadenas de hidrocarburos contienen solo enlaces C—C, por lo que pueden apilarse en una matriz regular (parte (a) en la Figura 23.6.3). Por el contrario, los ácidos grasos insaturados tienen un simple doble enlace en la cadena hidrocarbonada (monoinsaturados) o más de un doble enlace (poliinsaturado). Estos dobles enlaces dan a las cadenas de ácidos grasos una estructura retorcida, lo que evita que las moléculas se empaqueten fuertemente (parte (b) en la Figura 23.6.3). Como resultado de la reducción de las interacciones de van der Waals, el punto de fusión de un ácido graso insaturado es menor que el de un ácido graso saturado de masa molecular comparable, produciendo así un aceite en lugar de un sólido. (Para mayor información sobre las interacciones de van der Waals, consulte la Sección 11.2.) Los aceites de pescado y los aceites vegetales, por ejemplo, tienen una mayor concentración de ácidos grasos insaturados que la mantequilla.

Figura 23.6.3 Ácidos grasos, la clase más simple de lípidos Los ácidos grasos están compuestos por una cadena larga que termina en un grupo funcional ácido carboxílico. (a) Las moléculas de ácidos grasos saturados, que no contienen dobles enlaces carbono-carbono, pueden apilarse en una matriz regular. (b) Las moléculas de ácidos grasos insaturados, que contienen uno o más dobles enlaces carbono-carbono cis, tienen estructuras retorcidas que no pueden empaquetarse estrechamente.

Los dobles enlaces de los ácidos grasos insaturados pueden hidrogenarse en una reacción de adición que produce un ácido graso saturado:

\( \underset{unsaturated\;fatty\;acid}{-CH=CH-} + H_{2}\rightarrow \underset{saturated\;fatty\;acid}{-CH_{2}CH_{2}-} \tag{23.6.1} \)

También se pueden oxidar para producir un aldehído o ácido carboxílico. (Para mayor información sobre hidrogenación, ver Sección 14.8.)

Los ácidos grasos insaturados son los compuestos de partida para la biosíntesis de prostaglandinas. Estas sustancias similares a hormonas están involucradas en la regulación de la presión arterial, la inflamación de los tejidos y la contracción y relajación de los músculos lisos. Medicamentos como la aspirina y el ibuprofeno inhiben la producción de prostaglandinas, reduciendo así la inflamación.

Las ceras son ésteres producidos por el ataque nucleófilo de un alcohol sobre el carbono carbonílico de un ácido carboxílico de cadena larga (Figura 23.5.4). Por ejemplo, la cera utilizada en el abrillantador de zapatos y el papel encerado, que se deriva de la cera de abejas, se forma a partir de un alcohol de cadena lineal con 15 átomos de carbono y un ácido graso con 31 átomos de carbono. Los triacilgliceroles son un tipo de éster particularmente importante en los sistemas vivos; son utilizados por el cuerpo para almacenar grasas y aceites. Estos compuestos se forman a partir de una molécula de glicerol (1,2,3-trihidroxipropano) y tres moléculas de ácidos grasos. Durante los meses más cálidos del año, los animales que hibernan consumen grandes cantidades de plantas, semillas y frutos secos que tienen un alto contenido de grasa y aceite. Convierten los ácidos grasos en triacilgliceroles y los almacenan. La hidrólisis de los triacilgliceroles almacenados durante la hibernación (al revés de la Figura 23.5.4) libera alcoholes y ácidos carboxílicos que el animal utiliza para generar energía para mantener la actividad celular, la respiración y la frecuencia cardíaca. Los derivados de triacilgliceroles con un grupo fosfato son componentes principales de todas las membranas celulares.

Los esteroides son lípidos cuya estructura está compuesta por tres anillos de ciclohexano y un anillo de ciclopentano fusionados entre sí. La presencia de varios sustituyentes, incluyendo dobles enlaces, en la estructura básica del anillo esteroideo produce una gran familia de compuestos esteroideos con diferentes actividades biológicas. Por ejemplo, el colesterol, un esteroide que se encuentra en las membranas celulares, contiene un doble enlace en un anillo y cuatro sustituyentes: un grupo hidroxilo, dos grupos metilo y una cadena hidrocarbonada.

El colesterol es el punto de partida para la biosíntesis de las hormonas esteroides, incluyendo la testosterona, la hormona sexual masculina primaria, y la progesterona, que ayuda a mantener el embarazo. Estos derivados de colesterol carecen de la cadena lateral de hidrocarburo larga, y la mayoría contienen uno o más grupos cetónicos.

El colesterol se sintetiza en el cuerpo humano en una vía multietapa que comienza con un derivado del ácido acético. También consumimos colesterol en nuestras dietas: huevos, carnes, pescados y productos de diario contienen colesterol, pero las verduras y otros alimentos derivados de plantas no contienen colesterol. El exceso de colesterol en el cuerpo humano puede causar cálculos biliares, que están compuestos por casi el 100% de colesterol, o depósitos lipídicos llamados placa en las arterias. Una acumulación de placa puede bloquear una arteria coronaria y provocar un ataque al corazón (Figura 23.6.4).

Figura 23.6.4 Placa en una arteria La placa, un depósito lipídico, se forma a partir del exceso de colesterol en el cuerpo. Esta arteria está casi bloqueada por un depósito grueso de placa, lo que aumenta en gran medida el riesgo de un ataque cardíaco debido a la disminución del flujo sanguíneo al corazón.

Ácidos nucleicos

Ácidos nucleicos Polímero lineal de nucleótidos que es el componente estructural básico del ADN y ARN. son los componentes estructurales básicos del ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico), las sustancias bioquímicas que se encuentran en los núcleos de todas las células que transmiten la información necesaria para dirigir el crecimiento y reproducción celular. Sus estructuras se derivan de compuestos cíclicos que contienen nitrógeno llamados pirimidinas y purinas, que pueden participar en enlaces de hidrógeno a través del par de electrones solitario sobre nitrógeno (en pirimidina y purina) o a través del hidrógeno de la amina (en purina):

Las mismas estructuras cíclicas se encuentran en sustancias como la cafeína, una purina que es un estimulante, y el agente antifúngico flucitosina, una pirimidina. (Para mayor información sobre la estructura de la cafeína, consulte la Sección 7.2.)

Cuando una pirimidina o una purina se une a un azúcar por un enlace llamado enlace glicosídico, se forma un nucleósido. La adición de un grupo ácido fosfórico al azúcar produce entonces un nucleótido (parte (a) en la Figura 23.6.5). El enlace de nucleótidos forma una cadena polimérica que consiste en alternar grupos azúcar y fosfato, que es la cadena principal del ADN y ARN (parte (b) en la Figura 23.6.5).

Si bien la función del ADN es preservar la información genética, el ARN traduce la información genética en el ADN y lleva esa información a sitios celulares donde se sintetizan las proteínas. Muchos antibióticos funcionan interfiriendo con la síntesis de proteínas en uno o más tipos de bacterias. El cloranfenicol, por ejemplo, se usa contra infecciones del ojo o del conducto auditivo externo; inhibe la formación de enlaces peptídicos entre aminoácidos en una cadena proteica. La puromicina, que se usa contra el herpes simple tipo I, interrumpe la extensión de una cadena peptídica, provocando la liberación de una proteína incompleta y la posterior muerte del virus.

Figura 23.6.5 La formación de ácidos nucleicos (a) Cuando la pirimidina o purina y un azúcar reaccionan para formar un enlace glicosídico, se produce un nucleósido. Agregar un grupo ácido fosfórico al azúcar de un nucleósido produce un nucleótido. (b) Los nucleótidos se unen para formar cadenas poliméricas largas. Una molécula de ADN consiste en dos cadenas de este tipo unidas por enlaces de hidrógeno entre los componentes de purina y pirimidina en diferentes cadenas.

Las mutaciones en el ADN de un organismo pueden conducir a la síntesis de proteínas defectuosas. La fenilcetonuria (PKU), por ejemplo, es una afección causada por una enzima defectuosa. Si no se trata, produce daño cerebral severo y retraso mental. El albinismo es causado por una enzima defectuosa que es incapaz de producir melanina, el pigmento responsable del color de la piel y el cabello. La fibrosis quística, la enfermedad hereditaria más común en Estados Unidos, bloquea la función pancreática y causa secreciones espesas de moco que dificultan la respiración. Un área de intensa investigación en el combate al cáncer involucra la síntesis de fármacos que detienen el crecimiento celular incontrolado al interferir con la replicación del ADN.

Llave para llevar

Las cuatro clases principales de compuestos orgánicos que se encuentran en la biología son proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos. Sus estructuras y reactividad están determinadas por los grupos funcionales presentes.

Resumen

Las proteínas son polímeros biológicamente activos formados a partir de aminoácidos unidos entre sí por enlaces amida. Todos los aminoácidos en las proteínas son compuestos quirales excepto glicina. Los compuestos orgánicos más comunes que se encuentran en la naturaleza son los carbohidratos, polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas en cadenas no ramificadas de tres a ocho carbonos. Se clasifican según el número de unidades de azúcar, o sacárido, y se pueden dibujar como una cadena en una proyección Fischer o en una forma cíclica llamada proyección Haworth. Las dos formas cíclicas en una proyección de Haworth se llaman anómeros. Muchos azúcares contienen al menos un centro quiral. Con sus grupos funcionales carbonilo e hidroxilo, los carbohidratos pueden sufrir una variedad de reacciones bioquímicamente relevantes. El almidón y la celulosa difieren solo en la conectividad entre unidades de glucosa. Los almidones pueden ser ramificados o no ramificados, pero la celulosa, el material estructural de las plantas, no está ramificada y no puede ser digerida por los humanos. Los lípidos son insolubles en agua. Los lípidos más simples, los ácidos grasos, tienen una larga cadena hidrocarbonada que termina en un grupo funcional ácido carboxílico. Sus propiedades físicas dependen del número de dobles enlaces en la cadena. Las prostaglandinas, sustancias similares a las hormonas, se forman a partir de ácidos grasos insaturados, y las ceras son ésteres de cadena larga de ácidos grasos saturados. Los triacilgliceroles, que el organismo utiliza para almacenar grasas y aceites, consisten en glicerol esterificado a tres moléculas de ácidos grasos. Los esteroides, que incluyen el colesterol y las hormonas esteroides, se caracterizan por tres anillos de ciclohexano y un anillo de ciclopentano fusionados entre sí. Las unidades estructurales básicas de ADN y ARN son los ácidos nucleicos, cuyas estructuras se derivan de compuestos cíclicos que contienen nitrógeno llamados pirimidinas y purinas. Estas estructuras están unidas a un azúcar a través de un enlace glicosídico, formando un nucleósido. La adición de un grupo ácido fosfórico produce un nucleótido. Los nucleótidos se unen para formar una cadena polimérica que es la cadena principal del ADN y ARN.

Llave para llevar

• Es necesario comprender la reactividad de los grupos funcionales para comprender las reacciones que ocurren en los sistemas vivos.

Problemas conceptuales

1. ¿Cuáles son las fortalezas y limitaciones de usar una proyección de Haworth? de usar una proyección Fischer?

2. Los nutricionistas suelen afirmar que una ensalada de hojas no contiene calorías. ¿Estás de acuerdo?

3. ¿Esperarías que la margarina, una grasa poliinsaturada, tenga un punto de fusión mayor o menor que la mantequilla, una grasa saturada?

Estructura y Reactividad

1. Proponer un método para sintetizar el dipéptido alanilglicina (Ala-Gly), partiendo de los aminoácidos individuales (Figura 9.7.1).

2. ¿Todos los aminoácidos naturales son compuestos quirales? ¿Esperas que las proteínas contengan tanto enantiómeros de alanina como otros aminoácidos? Explica tu respuesta.

3. En esta sección se mostraron las estructuras de colesterol y testosterona. Identificar los grupos funcionales en cada uno.

4. Las estructuras de glucosa y purina se mostraron en esta sección. Identificar los grupos funcionales en cada uno.

Contestar

1. Utilice una reacción de condensación:

   

Colaboradores

• Anonymous

Modificado por Joshua B. Halpern