Biomoléculas orgánicas: características, funciones y ejemplos
Las biomoléculas orgánicas se encuentran en todos los seres vivos y se caracterizan por tener una estructura basada en el átomo de carbono. Si las comparamos con las moléculas inorgánicas, las orgánicas son mucho más complejas en términos de su estructura. Además, son mucho más variadas.
Se clasifican en proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos. Sus funciones son extremadamente variadas. Las proteínas participan como elementos estructurales, funcionales y catalíticos. Los carbohidratos también tienen funciones estructurales y son la principal fuente de energía de los seres orgánicos.
Los lípidos son importantes componentes de las membranas biológicas y otras sustancias, como hormonas. También funcionan como elementos de almacenamiento energético. Por último, los ácidos nucleicos – el ADN y el ARN – contienen toda la información necesaria el desarrollo y mantenimiento de los seres vivos.
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Una de las características más relevantes de las biomoléculas orgánicas es su versatilidad a la hora de formar las estructuras. Esta enorme diversidad de variantes orgánicas que pueden existir se debe a la situación privilegiada que aporta el átomo de carbono, en el centro del segundo período.
El átomo de carbono posee cuatro electrones en el último nivel de energía. Gracias a su electronegatividad media, es capaz de formar enlaces con otros átomos de carbono, formando cadenas de distinta forma y longitud, abiertas o cerradas, con enlaces sencillos, dobles o triples en su interior.
Del mismo modo, la electronegatividad media del átomo de carbono permite formar enlaces con otros átomos diferentes al carbono, como electropositivos (hidrógeno) o electronegativos (oxígeno, nitrógeno, azufre, entre otros).
Esta propiedad de enlace permite establecer una clasificación para los carbonos en primario, secundario, terciario o cuaternario, dependiendo del número de carbono con el que se encuentre enlazado. Este sistema de clasificación es independiente del número de valencias involucradas en el enlace.
Las moléculas orgánicas se clasifican en cuatro grandes grupos: las proteínas, los carbohidratos, los lípidos y los ácidos nucleicos. A continuación los describiremos con detalle:
Las proteínas constituyen el grupo de moléculas orgánicas mejor definidas y caracterizadas por los biólogos. Este amplio conocimiento se debe, principalmente, a la facilidad intrínseca que existe para ser aisladas y caracterizada – comparada con el resto de las tres moléculas orgánicas.
Las proteínas desempeñan una serie de papeles biológicos extremadamente amplios. Pueden servir como moléculas transportadoras, estructurales y hasta catalíticas. Este último grupo está compuesto con las enzimas.
Bloques estructurales: los aminoácidos
Los bloques estructurales de las proteínas son los aminoácidos. En la naturaleza, encontramos 20 tipos de aminoácidos, cada uno con sus propiedades físico-químicas bien definidas.
Estas moléculas se clasifican como alfa-aminoácidos, porque poseen un grupo amino primario y un grupo ácido carboxílico como sustituyente en el mismo átomo de carbono. La única excepción a esta regla es el aminoácido prolina, el cual es catalogado como un alfa-iminoácido por la presencia de un grupo amino secundario.
Para formar las proteínas, es necesario que estos “bloques” polimericen, y lo hacen formando un enlace peptídico. La formación de una cadena de proteínas involucra la eliminación de una molécula de agua por cada enlace peptídico. Este enlace se representa como CO-NH.
Además de formar parte de las proteínas, algunos aminoácidos son considerados metabolitos energéticos y muchos de ellos son elementos nutritivos esenciales.
Propiedades de los aminoácidos
Cada aminoácido tiene su masa y su promedio de aparición particular en las proteínas. Además, cada uno tiene un valor de pK de los grupos del ácido alfa-carboxílico, alfa-amino y del grupo lateral.
Los valores de pK de los grupos del ácido carboxílico se encuentran situados alrededor de 2,2; mientras que los grupos alfa-amino presentan valores de pK cercanos al 9,4. Esta característica conlleva a una característica estructural típica de los aminoácidos: al pH fisiológico ambos grupos se encuentran en forma de ion.
Cuando una molécula porta grupos cargados de polaridades opuestas se denominan iones dipolares o zwitterions. Por ello, un aminoácido puede actuar como un ácido o como una base.
La mayor parte de los alfa-aminoácidos presentan puntos de fusión cercanos a los 300 °C. Se disuelven con mayor facilidad en ambientes polares, comparado con su solubilidad en solventes no polar. La mayoría son bastante solubles en agua.
Estructura de las proteínas
Para poder puntualizar la función de una proteína en particular, es menester determinar su estructura, es decir, la relación tridimensional que existe entre los átomos que forman la proteína en cuestión. Para las proteínas se han determinado cuatro niveles de organización de su estructura:
Estructura primaria: hace referencia a la secuencia de aminoácido que forman a la proteína, excluyendo cualquier conformación que puedan tomar sus cadenas laterales.
Estructura secundaria: está formada por la disposición espacial local de los átomos del esqueleto. Otra vez, no se toman en cuenta la conformación de las cadenas laterales.
Estructura terciaria: hace referencia a la estructura tridimensional de toda la proteína. Aunque pudiese ser difícil establecer una división clara entre la estructura terciaria y secundaria, se usan conformaciones definidas (como la presencia de hélices, hojas plegadas y giros) para designar exclusivamente las estructuras secundarias.
Estructura cuaternaria: aplica a aquellas proteínas que están formadas por varias subunidades. Es decir, por dos o más cadenas polipeptídicas individuales. Estas unidades pueden interaccionar por medio de fuerzas covalentes, o bien por enlaces disulfuro. La disposición espacial de las subunidades determina la estructura cuaternaria.
Los carbohidratos, hidratos de carbono o sacáridos (de las raíces griegas sakcharón, que significa azúcar) son la clase de moléculas orgánicas más abundantes en todo el planeta tierra.
Su estructura puede inferirse de su nombre “hidratos de carbono”, ya que son moléculas con fórmula (C H2O)n, donde la n es mayor a 3.
Las funciones de los carbohidratos son variadas. Una de las principales es del tipo estructural, particularmente en las plantas. En el reino vegetal, la celulosa es su material estructural principal, el cual corresponde a un 80% del peso seco del organismo.
Otra función relevante es su papel energético. Los polisacáridos, como el almidón y el glucógeno, representan fuentes importantes de reservas nutritivas.
Clasificación
Las unidades básicas de los carbohidratos son los monosacáridos o azúcares sencillos. Estos son derivados de aldehídos o cetonas de cadena lineal y alcoholes polihidroxílicos.
Se clasifican de acuerdo a la naturaleza química de su grupo carbonilo en aldosas y cetosas. También se clasifican en función del número de carbonos.
Los monosacáridos se agrupan para formar los oligosacáridos, que frecuentemente se encuentran en asociación con otro tipo de moléculas orgánicas como las proteínas y los lípidos. Estos se clasifican en homopolisacáridos o heteropolisacáridos, dependiendo si están compuestos por los mismos monosacáridos (el primer caso) o son diferentes.
Además, también se clasifican de acuerdo a la naturaleza del monosacárido que los compone. Los polímeros de glucosa se denominan glucanos, los formados por galactosa se denominan galactanos, y así sucesivamente.
Los polisacáridos tienen la peculiaridad de formar cadenas lineales y ramificadas, ya que los enlaces glucosídicos pueden formarse con cualquiera de los grupos hidroxilo que se encuentran en el monosacárido.
Cuando se asocian un mayor número de unidades de monosacáridos, hablamos de polisacáridos.
Los lípidos (del griego lipos, que significa grasa) son moléculas orgánicas insolubles en agua y solubles en disolventes inorgánicos, como el cloroformo. Estos constituyen las grasas, aceites, vitaminas, hormonas y las membranas biológicas.
Clasificación
Ácidos grasos: son ácidos carboxílicos con cadenas formados por hidrocarburos de una longitud considerable. Fisiológicamente, es raro encontrarlos libres, ya que en la mayoría de los casos se encuentran esterificados.
En los animales y en las plantas los encontramos frecuentemente en su forma insaturada (formando dobles enlaces entre los carbonos), y poliinsaurados (con dos o más dobles enlaces).
Triacilgliceroles: también llamados triglicéridos o grasos neutras, constituyen la mayoría de grasas y aceites presenten en animales y plantas. Su función principal es almacenar energía en los animales. Estos cuentan con células especializadas para su almacenamiento.
Se clasifican según la identidad y posición de los restos de ácidos grasos. Generalmente, los aceites vegetales son líquidos a temperatura ambiente y son más ricos en restos de ácidos grasos con enlaces dobles y triples entre sus carbonos.
En contraste, las grasas animales son sólidas a temperatura ambiente y no el número de carbonos insaturados es bajo.
Glicerofosfolípidos: también conocidos como fosfoglicéridos, son los componentes principales de las membranas lipídicas.
Los glicerofosfolípidos presentan una “cola” con características apolares o hidrofóbicas, y una “cabeza” polar o hidrofílica. Estas estructuras se agrupan en una bicapa, con las colas apuntando al interior, para formar las membranas. En estas, se incrustan una serie de proteínas.
Esfingolípidos: son lípidos que se encuentran en cantidades muy bajas. También forman parte de las membranas y son derivados de la esfingosina, dihidroesfingosina y sus homólogos.
Colesterol: en los animales es un componente predominante de las membranas, que modifica sus propiedades, como la fluidez de la misma. También se localiza en las membranas de los orgánulos celulares. Es un importante precursor de las hormonas esteroideas, relacionadas con el desarrollo sexual.
Los ácidos nucleicos son el ADN y los distintos tipos de ARN que existen. El ADN es el responsable del almacenamiento de toda la información genética, que permite el desarrollo, crecimiento y mantenimiento de los organismos vivos.
El ARN, por su parte, participa en el paso de la información genética codificada en el ADN a moléculas de proteínas. Clásicamente, se distinguen tres tipos de ARN: mensajero, de transferencia y ribosomal. Sin embargo, existen una serie de pequeños ARN que poseen funcionen regulatorias.
Bloques estructurales: los nucleótidos
Los bloques estructurales de los ácidos nucleicos, ADN y ARN, son los nucleótidos. Químicamente, son ésteres fosfato de pentosas, en los que una base nitrogenada se une al primer carbono. Podemos distinguir entre ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos.
Estas moléculas son planas, aromáticas y heterocíclicas. Cuando el grupo fosfato está ausente, el nucleótido pasa a denominarse nucleósido.
Además de su papel de monómeros en los ácidos nucleicos, estas moléculas son biológicamente ubicuas y participan en un número significativo de procesos.
Los nucleósido trifosfato son productos ricos en energía, como el ATP y son usados como moneda energética de las reacciones celulares. Son un componente importante de las coenzimas NAD+, NADP+, FMN, FAD y coenzima A. Por último, son elementos reguladores de distintas vías metabólicas.
Existen una infinidad de ejemplos de moléculas orgánicas. A continuación se discutirán las más destacadas y estudiadas por los bioquímicos:
La hemoglobina, el pigmento rojo de la sangre, es uno de los ejemplos clásicos de proteínas. Gracias a su amplia difusión y fácil aislamiento ha sido una proteína estudiada desde la antigüedad.
Es una proteína formada por cuatro subunidades, por lo que entra en la clasificación de tetramérica, con dos unidades alfa y dos beta. Las subunidades de la hemoglobina están relacionadas con una proteína pequeña encargada de la captación de oxígeno en el músculo: la mioglobina.
El grupo hemo es un derivado de la porfirina. Este caracteriza a la hemoglobina y es el mismo grupo que se encuentra en los citocromos. El grupo hemo es el responsable del color rojo característico de la sangre y es la región física donde cada monómero de globina se une con el oxígeno.
La función principal de esta proteína es el transporte de oxígeno desde el órgano encargado del intercambio gaseoso – llámese pulmones, agallas o piel – hasta los capilares, para ser usado en la respiración.
La celulosa es un polímero lineal conformado por subunidades de D-glucosa, unidas mediante enlaces del tipo beta 1,4. Como la mayoría de los polisacáridos, no poseen un tamaño máximo limitado. Sin embargo, en promedio presentan unos 15.000 restos de glucosa.
Es el componente de las paredes celulares de las plantas. Gracias a la celulosa, estas son rígidas y permiten sobrellevar el estrés osmótico. Del mismo modo, en las plantas más grandes, como los árboles, la celulosa da soporte y estabilidad.
Aunque se relaciona predominante con vegetales, algunos animales llamados tunicados presentan celulosa en su estructura.
Se estima que un promedio de 1015 kilogramos de celulosa son sintetizados – y degradados – por año.
Las membranas biológicas están compuestas principalmente por dos biomoléculas, los lípidos y las proteínas. La conformación espacial de los lípidos es en forma de bicapa, con las colas hidrofóbicas apuntando al interior, y las cabezas hidrofílicas al exterior.
La membrana es un ente dinámico y sus componentes experimentan movimientos frecuentes.
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