La Bioquímica estructural

 

La Bioquímica estructural.  Es la rama de la Biología que estudia la naturaleza, estructura y función de los componentes químicos que forman parte de la materia viva. Pero el objetivo último de la Bioquímica es averiguar de que forma interaccionan dichos componentes para constituir lo que denominamos vida.

La materia está formada por átomos. Los seres vivos, como materia que somos, estamos también formados por átomos, llamados Bioelementos, que se combinan
formando moléculas, llamadas Biomoléculas.
Los átomos que componen a los seres vivos se encuentran por todo el Universo, pero en la materia inerte se hallan en distinta proporción que en la materia viva.
Los bioelementos se pueden clasificar en:

• Bioelementos primarios: Suponen el 96% de la materia viva, son: C, H, O, N, P y S. Forman parte de la mayor parte de las estructuras de los seres vivos.
  El carbono forma parte de moléculas como los lípidos (cadenas largas) o grupos más pequeños como carboxilo (-COOH…). El hidrógeno y oxígeno forman parte
  de moléculas como el agua.
• Bioelementos secundarios: Suponen entorno al 4% de la materia viva, son: Ca, Na, Cl, K, Fe. Tienen funciones muy diversas el Ca forma parte de los huesos o
  de caparazones, Fe es responsable del transporte de oxígeno.
• Oligoelementos: También llamados elementos traza se encuentran en proporciones muy bajas. Algunos de ellos son: Mn, Co, Zn.
  Las biomoléculas se clasifican atendiendo a su composición. Las biomoléculas inorgánicas son las que no están formadas por cadenas de carbono, como son el agua, las sales minerales o los gases. Las moléculas orgánicas están formadas por cadenas de carbono y se denominan Glúcidos, Lípidos, Proteínas y Ácidos nucleicos.

Las biomoléculas orgánicas, atendiendo a la longitud y complejidad de su cadena, se pueden clasificar como monómeros o polímeros. Los monómeros son moléculas
pequeñas, unidades moleculares que forman parte de una molécula mayor. Los polímeros son agrupaciones de monómeros, iguales o distintos, que componen una
molécula de mayor tamaño.
BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS AGUA
El agua es una biomolécula inorgánica. Se trata de la biomolécula más abundante en los seres vivos. En las medusas, puede alcanzar el 98% del volumen del animal y en la lechuga, el 97% del volumen de la planta. Estructuras como el líquido interno de animales o plantas, embriones o tejidos conjuntivos suelen contener gran cantidad de agua. Otras estructuras, como semillas, huesos, pelo, escamas o dientes poseen poca cantidad de agua en su composición.

Estructura
El agua es una molécula formada por dos átomos de Hidrógeno y uno de Oxígeno. La unión de esos elementos con diferente electronegatividad proporciona unas
características poco frecuentes. Estas características son:

• La molécula de agua forma un ángulo de 104,5º.
• La molécula de agua es neutra.
• La molécula de agua, aun siendo neutra, forma un dipolo, aparece una zona con un diferencial de carga positivo en la región de los Hidrógenos, y una zona con diferencial de carga negativo, en la región del Oxígeno.
• El dipolo facilita la unión entre moléculas, formando puentes de hidrógeno, que unen la parte electropositiva de una molécula con la electronegativa de otra.
  Propiedades.

El agua tiene propiedades especiales, derivadas de su singular estructura. Estas propiedades son:

• Alto calor específico: para aumentar la temperatura del agua un grado centígrado es necesario comunicarle mucha energía para poder romper los puentes de Hidrógeno que se generan entre las moléculas.
• Alto calor de vaporización: el agua absorbe mucha energía cuando pasa de estado líquido a gaseoso.
• Alta tensión superficial: las moléculas de agua están muy cohesionadas por acción de los puentes de Hidrógeno. Esto produce una película de agua en la zona de
  contacto del agua con el aire. Como las moléculas de agua están tan juntas el agua es incompresible.
• Capilaridad: el agua tiene capacidad de ascender por las paredes de un capilar debido a la elevada cohesión molecular.
• Alta constante dieléctrica: la mayor parte de las moléculas de agua forman un dipolo, con un diferencial de carga negativo y un diferencial de carga positivo.
• Bajo grado de ionización: la mayor parte de las moléculas de agua no están disociadas. Sólo un reducido número de moléculas sufre disociación, generando
  iones positivos (H+ ) e iones negativos (OH-). En el agua pura, a 25ºC, sólo unamolécula de cada 10.000.000 está disociada, por lo que la concentración de H+ es de 10-7
• Por esto, el pH del agua pura es igual a 7.
• La densidad del agua: en estado líquido, el agua es más densa que en estado sólido.

Por ello, el hielo flota en el agua. Esto es debido a que los puentes de Hidrógeno formados a temperaturas bajo cero unen a las moléculas de agua ocupando mayor
volumen.
Importancia biológica del agua

• Disolvente polar universal: el agua, debido a su elevada constante dieléctrica, es el mejor disolvente para todas aquellas moléculas polares. Sin embargo, moléculas apolares no se disuelven en el agua.
• Lugar donde se realizan reacciones químicas: debido a ser un buen disolvente, por su elevada constante dieléctrica, y debido a su bajo grado de ionización.
• Función estructural: por su elevada cohesión molecular, el agua confiere estructura, volumen y resistencia.
• Función de transporte: por ser un buen disolvente, debido a su elevada constante dieléctrica, y por poder ascender por las paredes de un capilar, gracias a la elevada cohesión entre sus moléculas, los seres vivos utilizan el agua como medio de transporte por su interior.
• Función amortiguadora: debido a su elevada cohesión molecular, el agua sirve como lubricante entre estructuras que friccionan y evita el rozamiento.
• Función termorreguladora: al tener un alto calor específico y un alto calor de vaporización el agua es un material idóneo para mantener constante la
  temperatura, absorbiendo el exceso de calor o cediendo energía si es necesario.

SALES MINERALES
Las sales minerales son biomoléculas inorgánicas que aparecen en los seres vivos de forma precipitada, disuelta en forma de iones o asociada a otras moléculas, cumplen con funciones estructurales y reguladoras.

BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS GLÚCIDOS
Los glúcidos son biomoléculas orgánicas. Están formados por Carbono, Hidrógeno y Oxígeno, aunque además, en algunos compuestos también podemos encontrar Nitrógeno y Fósforo.
Reciben también el nombre de azúcares, carbohidratos o hidratos de carbono.
La importancia biológica principal de este tipo de moléculas es que actúan como reserva de energía o pueden conferir estructura, tanto a nivel molecular (forman
nucleótidos), como a nivel celular (pared vegetal) o tisular (tejidos vegetales de sostén, con celulosa).
Dependiendo de la molécula que se trate, los Glúcidos pueden servir como:

• Combustible: los monosacáridos se pueden oxidar totalmente, obteniendo unas 4 KCal/g.
• Reserva energética: el almidón y el glucógeno son polisacáridos que acumulan gran cantidad de energía en su estructura, por lo que sirven para guardar energía
  excedente y utilizarla en momentos de necesidad.
• Formadores de estructuras: la celulosa o la quitina son ejemplos de polisacáridos que otorgan estructura resistente al organismo que las posee.

Aldosas  Tetrosas Pentosas Hexosas Heptosas Ósidos Holósidos Oligosacáridos Disacáridos, trisacáridos… Polisacáridos Homopolisacáridos Heteropolisacáridos Heterósidos

Monosacáridos
Los monosacáridos son sustancias blancas, con sabor dulce, cristalizables y solubles en agua. Se oxidan fácilmente, transformándose en ácidos, por lo que se dice que
poseen poder reductor (cuando ellos se oxidan, reducen a otra molécula).
Los monosacáridos son moléculas sencillas que responden a la fórmula general (CH2O)n. Están formados por 3, 4, 5, 6 ó 7 átomos de carbono.
Los monosacáridos se nombran atendiendo al número de carbonos que presenta la molécula:

• Triosas: tres carbonos
• Tetrosas: cuatro carbonos
• Pentosas: cinco carbonos
• Hexosas: seis carbonos
• Heptosas: siete carbonos

Ejemplos de monosacáridos relevantes en el metabolismo son la glucosa, la fructosa, la ribosa o la desoxirribosa, entre otros muchos.
En disolución, los monosacáridos pequeños se encuentran en forma lineal, mientras que las moléculas más grandes ciclan su estructura.

La molécula ciclada puede adquirir el aspecto de un pentágono o de un hexágono. Los monosacáridos ciclados con aspecto de pentágono reciben el nombre de Furanosas.
Los monosacáridos ciclados con aspecto de hexágono reciben el nombre de Piranosas.

Ósidos
Los Ósidos son Glúcidos formados por varios monosacáridos. La unión de monosacáridos se realiza a través de un enlace especial que libera una molécula de
agua y que se llama enlace O-glucosídico, ya que un monosacárido se une al siguiente a través de un Oxígeno.
Se llaman Holósidos a los ósidos formados por varios monosacáridos.

Se denominan Heterósidos a los ósidos formados por monosacáridos y otras moléculas distintas a los Glúcidos, como pueden ser lípidos, que forman glucolípidos, o prótidos, que pueden formar glucoproteínas, entre otros.
Los Holósidos se clasifican en Oligosacáridos y en Polisacáridos.

Oligosácaridos
Los oligosacáridos son Glúcidos formados por un número pequeño de monosacáridos, entre 2 y 10. Se denominan Disacáridos, si están compuestos por dos monosacáridos, Trisacáridos, si están compuestos por tres monosacáridos, Tetrasacáridos, si están compuestos por cuatro monosacáridos y así sucesivamente.
Los disacáridos se forman por la unión de dos monosacáridos, mediante un enlace Oglucosídico.

Polisacáridos
Los polisacáridos son polímeros de monosacáridos, unidos mediante enlace Oglucosídico.
Cuando los monosacáridos que forman la molécula son todos iguales, el polisacárido formado se llama Homopolisacárido. Cuando los monosacáridos que
forman la molécula son distintos entre sí, es decir, de más de un tipo, el polisacárido formado se llama heteropolisacárido.
Los polisacáridos no tienen sabor dulce, no cristalizan y no tienen poder reductor. Su importancia biológica reside en que pueden servir como reservas energéticas o
pueden conferir estructura al ser vivo que los tiene. La función que cumplan vendrá determinada por el tipo de enlace que se establezca entre los monosacáridos
formadores.
Los polisacáridos más abundantes en la Naturaleza son el almidón, el glucógeno, la celulosa y la quitina.

LÍPIDOS
Los lípidos son biomoléculas orgánicas formadas por Carbono, Hidrógeno y Oxígeno, que pueden aparecer en algunos compuestos el Fósforo y el Nitrógeno. Constituyen un grupo de moléculas con composición, estructura y funciones muy diversas, pero todos ellos tienen en común varias características:

• No se disuelven en agua, formando estructuras denominadas micelas.
• Se disuelven en disolventes orgánicos, tales como cloroformo, benceno, aguarrás o acetona.
• Son menos densos que el agua, por lo que flotan sobre ella.
• Son untuosos al tacto.

Se ordenan en los siguientes grupos moleculares:

• Ácidos grasos
• Céridos
• Fosfoglicéridos y esfingolípidos
• Esteroides

 

Ácidos grasos
Los ácidos grasos son moléculas formadas por cadenas de carbono. El número de carbonos habitualmente es de número par. Los tipos de ácidos grasos más abundantes en la Naturaleza están formados por cadenas de 16 a 22 átomos de carbono.
Los ácidos grasos se clasifican en saturados e insaturados.
Saturados
Los enlaces entre los carbonos son enlaces simples, a temperatura ambiente, los ácidos grasos saturados suelen encontrarse en estado sólido.
Insaturados
En ellos pueden aparecer enlaces dobles o triples entre los carbonos de la cadena, a temperatura ambiente, los ácidos grasos insaturados suelen encontrarse en estado
líquido.
Acil-gliceridos
Los ácidos grasos forman parte de otros compuestos lipídicos. Todos aquellos lípidos que tienen ácidos grasos en su estructura tienen la capacidad de realizar la reacción de saponificación, y por ello se llaman lípidos saponificables.
Los ácidos grasos se clasifican atendiendo al estado que presentan a temperatura ambiente. Los sólidos se denominan sebos, y están formados por ácidos grasos
saturados. Los líquidos se llaman aceites, y están formados por ácidos grasos insaturados y saturados.
Funciones de los acil-glicéridos
La importancia de los acil-glicéridos radica en que:

• Actúan como combustible energético.
• Funcionan como reserva energética.
• Sirven como aislantes térmicos. Conducen mal el calor. Los animales de zonas frías presentan, a veces, una gran capa de tejido adiposo.
• Son buenos amortiguadores mecánicos. Absorben la energía de los golpes y, por ello, protegen estructuras sensibles o estructuras que sufren continuo rozamiento.

CERAS
Los céridos, también llamados ceras, se forman por la unión de un ácido graso de cadena larga (de 14 a 36 átomos de carbono) con un monoalcohol, también de cadena larga (de 16 a 30 átomos de carbono), mediante un enlace éster. El resultado es una molécula completamente apolar, muy hidrófoba, ya que no aparece ninguna carga y su estructura es de tamaño considerable.
Esta característica permite que la función típica de las ceras consista en servir de impermeabilizante. El revestimiento de las hojas, frutos, flores o talos jóvenes, así
como los tegumentos de muchos animales, el pelo o las plumas está recubierto de una capa cérea para impedir la pérdida o entrada (en animales pequeños) de agua.
FOSFOGLICÉRIDOS Y ESFINGOLÍPIDOS
Los fosfoglicéridos y los esfingolípidos son moléculas que aparecen formando parte de la estructura de las membranas celulares. Estas moléculas presentan una parte polar (cabeza polar) y una parte apolar (colas apolares). Por este motivo, se dice que son anfipáticos.
• Fosfoglicéridos
Los fosfoglicéridos pertenecen al grupo de los fosfolípidos. La estructura de la molécula es un ácido fosfatídico. El ácido fosfatídico está compuesto por dos ácidos grasos, uno saturado y otro, generalmente insaturado, una glicerina y un ácido ortofosfórico. La unión entre estas moléculas se realiza mediante enlaces de tipo  éster.
ESTEROLES
Los esteroides son derivados del cilopentano – perhidrofenantreno. Esta molécula origina moléculas tales como colesterol, estradiol, progesterona, testosterona,
aldosterona o corticosterona. Todas ellas son esenciales para el funcionamiento de nuestro metabolismo.

PROTEÍNAS
Los Prótidos son biomoléculas orgánicas. Están formados por Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno. En ocasiones aparecen Fósforo y Azufre.
Este grupo está compuesto por tres tipos de moléculas, que se clasifican atendiendo a su tamaño. Son los aminoácidos, los péptidos y las proteínas.

Aminoácidos
Son moléculas pequeñas, monómeros de los péptidos y las proteínas. Son cristalinos, casi todos dulces.
Los radicales confieren al aminoácido unas características propias. Por ello, estos radicales se utilizan como criterio de clasificación de los aminoácidos.
Formando parte de las proteínas existen 20 aminoácidos, que son a – aminoácidos.
Existen otros muchos tipos de aminoácidos, pero no se asocian formando macromoléculas.
LAS PROTEÍNAS Y LOS PÉPTIDOS
Los péptidos y las proteínas se forman por la unión de aminoácidos, mediante un enlace llamado enlace peptídico.
Los péptidos
Los péptidos son moléculas formadas por aminoácidos unidos por enlace peptídico. El número de aminoácidos puede oscilar entre dos y cien; más de cien aminoácidos se considera una proteína.
Ejemplos de péptidos metabólicamente importantes son la insulina, el glucagón, la oxitocina o la vasopresina.
Las proteínas
Las proteínas son moléculas formadas por aminoácidos unidos por enlace peptídico.
La alternancia entre los enlaces rígidos (enlaces peptídicos) y los enlaces móviles (enlaces intraaminoácido) hace que estas moléculas adquieran una estructura
bastante compleja.
Estas moléculas cumplen muchas y variadas funciones en los seres vivos.
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS PROTEÍNAS
Las proteínas adquieren una estructura que, a veces, resulta muy compleja.
Estructura de las proteínas
La estructura de las proteínas se puede estudiar desde 4 niveles de complejidad, que son la estructura primaria, la estructura secundaria, la estructura terciaria y la
estructura cuaternaria.
• Estructura primaria
La estructura primaria de las proteínas hace referencia a la secuencia de aminoácidos que la componen, ordenados desde el primer aminoácido hasta el último.
Para determinar la secuencia no basta con saber los aminoácidos que componen la molécula; hay que determinar la posición exacta que ocupa cada aminoácido.
La estructura primaria determina las demás estructuras de la proteína.
• Estructura secundaria
La estructura secundaria de una proteína es un nivel de organización que adquiere la molécula, dependiendo de cómo sea la secuencia de aminoácidos que la componen. La rigidez del enlace peptídico, la capacidad de giro de los enlaces establecidos con el carbono asimétrico y la interacción de los radicales de los aminoácidos con la disolución en la que se encuentra, lleva a plegar la molécula sobre sí misma. Las conformaciones resultantes pueden ser la estructura en a-hélice, la b-laminar y la hélice de colágeno.
• Estructura terciaria
La estructura terciaria es la forma que manifiesta en el espacio una proteína. Depende de la estructura de los niveles de organización inferiores. Puede ser una conformación redondeada y compacta, adquiriendo un aspecto globular. También puede ser una estructura fibrosa y alargada. La conformación espacial de la proteína condiciona su función biológica.
• Estructura cuaternaria Cuando varias proteínas se unen entre sí, forman una organización superior, denominada estructura cuaternaria. Cada proteína componente de la asociación, conserva su estructura terciaria. La unión se realiza mediante gran número de enlaces débiles, como puentes de Hidrógeno o interacciones hidrofóbicas.
Funciones de las proteínas
• Función estructural: forman estructuras capaces de soportar gran tensión continuada, como un tendón o el armazón proteico de un hueso o un cartílago.
También pueden soportar tensión de forma intermitente, como la elastina de la piel o de un pulmón. Además, forman estructuras celulares, como la membrana
plasmática o los ribosomas.
• Movimiento y contracción: la actina y la miosina forman estructuras que producen movimiento. Mueven los músculos estriados y lisos. La actina genera movimiento de contracción en muchos tipos de células animales.
• Transporte: algunas proteínas tienen la capacidad de transportar sustancias, como oxígeno o lípidos, o electrones.
• Reserva energética: proteínas grandes, generalmente con grupos fosfato, sirven para acumular y producir energía, si se necesita.
• Función homeostática: consiste en regular las constantes del medio interno, tales como pH o cantidad de agua.
• Función defensiva: las inmunoglobulinas son proteínas producidas por linfocitos B, e implicadas en la defensa del organismo.
• Función hormonal: algunas proteínas funcionan como mensajeros de señales hormonales, generando una respuesta en las células diana.
• Función enzimática: las enzimas funcionan como biocatalizadores, ya que controlan las reacciones metabólicas, disminuyendo la energía de activación de
estas reacciones.