Macromoléculas Las macromoléculas son moléculas que tienen una masa molecular elevada, formada por un gran número de átomos. Generalmente podemos describirlas como la repetición de una o unas pocas unidades mínimas (monómeros), formando los polímeros. A menudo el término macromolécula se refiere a las moléculas que contienen más de 100 átomos. Pueden ser tanto orgánicas como inorgánicas, y se encuentran algunas de gran relevancia en el campo de la bioquímica, al estudiar las biomoléculas. Dentro de las moléculas orgánicas sintéticas encontramos a los plásticos. Universalidad de las moléculas orgánicas Los elementos y moléculas que constituyen a todos los seres vivos son similares A pesar que en la naturaleza es posible encontrar más de 100 elementos químicos distintos, los seres vivos estamos organizados por una cantidad reducida de tales elementos y en proporciones bastante fijas. Por ejemplo, tanto un ser humano como una planta poseen cerca de un 10% de hidrógeno. Claro que tal hidrógeno se encuentra distribuido en una gran gama de moléculas, tanto orgánicas como inorgánicas. Puede ser parte de una molécula de glucosa (orgánica) o de una molécula de agua (inorgánica). Es importante conocer la organización de una célula. Sin embargo, lo que la célula es capaz de hacer depende de las moléculas que la forman, de las que es capaz de sintetizar, digerir o hacer reaccionar. Además, conocer las necesidades moleculares del organismo es la base de la nutrición y los buenos hábitos alimenticios. Las moléculas orgánicas pueden ser de cuatro tipos y se basan en unos pocos elementos químicos En la siguiente tabla (tabla 4) se describen varios aspectos en torno a los cuatro tipos principales de moléculas orgánicas. Clase de molécula Elementos componente s Carbohidratos C, H, O En general su fórmula Descripción Cómo reconocerlos Función principal en los sistemas vivos Contar los átomos aproximada es (CH2O)n de C, H y O 1. Monosacáridos (azúcares sencillos), que son principalmente moléculas de cinco carbonos (pentosas), como la ribosa, o de seis carbonos (hexosas), como la glucosa y fructosa Buscar formas cíclicas, de pentágono o hexágono Fuente de energía celular; constituyente de otros compuestos
2. Disacáridos, que son dos monosacáridos unidos por un enlace glucosídico, como la maltosa y la sacarosa 3. Polisacáridos, que se componen de muchos azúcares unidos por enlaces glucosídicos, como el glucógeno y la celulosa Lípidos C, H, O Contienen menos O que los carbohidratos en relación con el C y el H 1. Grasas neutras. Combinación de glicerol con una a tres moléculas de ácidos grasos: Monoglicéridos, 1 ácido graso Diglicéridos, 2 ácidos grasos Triglicéridos, 3 ácidos grasos Si los ácidos grasos poseen enlaces dobles entre átomos de carbono (C==C), se dice que están insaturados; de lo contrario, están saturados 2. Fosfolípidos. Se componen de un grupo glicerol unido a uno o dos ácidos grasos y a una base orgánica que contiene fósforo Contar las unidades de azúcar Contar las unidades de azúcar Buscar el grupo glicerol en un extremo de la molécula: Buscar el glicerol y la cadena lateral que contiene fósforo y nitrógeno Componentes de otros compuestos, forma de azúcar de transporte en vegetales Forma de almacenamient o de energía (glucógeno en animales, almidón en vegetales); componente estructural de la pared celular de plantas 1 Fuente de energía celular y forma de almacenamient o de energía En multicelulares, pueden funcionar como aislante térmico Componente de membranas celulares 1 Ver descripción en página
Proteínas C, H, O, N y por lo común, S 3. Esteroides. Moléculas complejas que contienen átomos de carbono dispuestos en cuatro anillos entrelazados (tres ciclohexanos y un ciclopentano) 4. Carotenoides. Pigmentos anaranjados y amarillos, que cocsisten en unidades de isopreno Uno o más polipéptidos (cadenas de aminoácidos) enrollados o plegados en formas características para cada proteína Buscar 4 anillos enlazados: Buscar unidades isopreno Buscar unidades de aminoácidos unidas por enlaces C N (enlace peptídico) Algunos son hormonas, otros son colesterol, sales biliares y vitamina D; componentes de membranas celulares El retinol (importante en la fotorrecepción) y la vitamina A se forman a partir de carotenoides Estructural: citoesqueleto, ribosomas y membranas. Enzimática: transformacion es químicas, síntesis de nuevas moléculas, ruptura de moléculas, durante la digestión y procesamiento de energía. Transporte: en la sangre (hemoglobina) y a través de membranas en la célula. Defensa:
anticuerpos. Hormonal: señales entre células en el organismo. Receptora: detección de estímulos en la superficie celular Clase de molécula Ácidos nucleicos Elementos Descripción componentes C, H, O, N, P El esqueleto se compone de grupos pentosa y fosfato alternados, de los cuales se proyectan las bases nitrogenadas. ADN: azúcar desoxirribosa y bases adenina, timina, citocina y guanina; ARN: azúcar ribosa y bases adenina, uracilo, citocina y guanina. Cada subunidad molecular, llamada nucleótido, consiste en una pentosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada Existen nucleótidos que no estructuran ácidos nucleicos, sino que tienen 3 grupos fosfatos, ricos en energía: el ATP Cómo reconocerlos Buscar un esqueleto de pentosa fosfato. El ADN forma una doble hélice Función principal en los sistemas vivos Almacenamiento, transmisión y expresión de la información genética Control de la síntesis y la secuencia de todas las proteínas, enviando un mensaje desde el núcleo al citoplasma (ARN) Para el caso del ATP, funciona como la moneda de intercambio de la energía celular
PROTEÍNAS LÍPIDOS CARBOHIDRATOS Figura 22a. Formación de disacárido a partir de dos monosacáridos Figura 22b. Estructura de un polisacárido: el almidón Figura 22c. Formación de un triglicérido a partir de un glicerol y tres ácidos grasos Figura 22d. Estructura de un fosfolípido
ÁCIDOS NUCLEICOS Figura 22e. (a) Formación de un dipéptido a partir de dos aminoácidos. (b) Esquema de un polipéptido, mostrando la diversidad de tipos de aminoácidos y los extremos terminales Figura 22f. Estructura de un nucleótido Figura 22g. Organización de una cadena de nucleótidos, para configurar un ácido nucleico El trabajo que realizan las células se basa en la actividad metabólica formada por el anabolismo y catabolismo A pesar que las células son estructuras diminutas y están formadas por moléculas mucho más pequeñas todavía, requieren de una cantidad mínima de energía para funcionar. A lo largo de esta guía, hemos mencionado varias de las actividades que una célula debe ser capaz de realizar. Algunas de estas tareas son realizadas por todas las células y otras son más bien exclusivas de ciertos tejidos. Por ejemplo, la mayoría de las células de un ser humano poseen un citoesqueleto que facilita el movimiento interno de materiales. Por tanto, una parte de la energía que las células consiguen, tiene que estar destinada a las proteínas del citoesqueleto. Al contrario, las únicas células del organismo capaces de fabricar la hormona insulina se ubican en el páncreas. Una parte de la energía de esas células en particular está destinada a la síntesis de esta importante sustancia. Son muy pocas las actividades que una célula realiza que no gastan energía. Se puede mencionar la osmosis por ejemplo. Sin embargo, aún la osmosis requiere de un aporte previo de energía: si se quiere trasladar agua, previamente deben trasladarse solutos, que frecuentemente requieren energía para bombearse. Es decir, directa o indirectamente, para una célula nada es gratuito y debe administrar muy bien sus recursos para poder hacer de todo. Estos recursos son bastante concretos y cuantificables. La fuente más frecuente de energía que dispone una célula son las moléculas de Adenosín Trifosfato, más conocidas como ATP. Como se mencionó en la página 19, estas moléculas son elaboradas por las mitocondrias, son derivados de nucleótidos y poseen un enlace PO4 PO4 de gran energía potencial. El rompimiento de este enlace permite utilizar una especie de palanca molecular que genera energía mecánica. Si esta energía es aplicada en una proteína transportadora de membrana, puede usarse para bombear un ion. Si se usa sobre una proteína citoesquelética, se puede generar desplazamiento de un filamento sobre otro y conseguir movimiento. Si se dispone en un ribosoma, puede servir para unir dos aminoácidos.
El conjunto de reacciones químicas que posee la célula destinadas a sintetizar sustancias se denomina Anabolismo. Directa o indirectamente, toda reacción anabólica requiere Figura 32. Comparación entre molécula de ADP (a) y ATP (b) ATP o algún derivado para poder realizarse. Son reacciones anabólicas la síntesis de proteínas, de fosfolípidos, de almidón, de ARN, etc. Se trata de reacciones que aspiran a un nivel de orden superior: un tren es más complejo y ordenado que un carro independiente. Es más complicado disponer las letras de una oración en un orden lógico que hacerlo de cualquier manera. El orden implica gasto energético. Implica inversión. La contraparte es el Catabolismo. Se dice que todas las reacciones basadas en la degradación de moléculas son catabólicas. Al contrario de la síntesis, el saldo de una reacción catabólica es energía disponible. La célula destruye moléculas ya sea para hacer uso de sus subunidades o porque la energía retenida en esa molécula puede utilizarse. Paradojalmente, la forma de obtener ATP útil para el anabolismo, son las reacciones catabólicas que separan enlaces energizados, especialmente en moléculas de carbohidratos. Dicho de una manera simple, para Figura 33 elaborar moléculas de ATP se hace uso de la energía química potencial alojada en los enlaces C C que poseen moléculas de glucosa. Este proceso ocurre en varias etapas. Se inicia en el citoplasma y finaliza al interior de las mitocondrias. Fabricar una molécula de ATP es simple. Basta unir un fosfato a una molécula de Adenosín Difosfato (ADP). El problema es que hacerlo es como encerrar un gran resorte dentro de una pequeña caja: cuesta trabajo, aunque una vez logrado, se dispone de una herramienta eficaz para retener energía (ver figura 32). A diferencia de la glucosa, el ATP no se puede almacenar. Se va usando en la medida que se sintetiza, tanto en las reacciones anabólicas, como en procesos de transporte de sustancias,
movimiento, etc. Se dice entonces, que las reacciones de la célula están acopladas. No puede haber anabolismo sin catabolismo y viceversa (ver figura 33). Las enzimas aceleran las reacciones químicas, posibilitando el metabolismo Figura 34. El esquema representa una reacción consistente en la transformación de X en Y. En el primer caso, se requiere una energía de activación 1 para conseguirlo, representada por la altura que es necesario levantar una bolita para sacarla de la caja. Con la reacción catalizada, el trabajo necesario para sacar la bolita es mínimo. Las reacciones químicas, en su mayoría, necesitan, al principio, recibir una cierta cantidad de energía. Esto pasa incluso para las reacciones que liberan energía, como la degradación de la glucosa o la combustión del gas natural. Esta energía añadida hace aumentar la energía cinética de las moléculas y logra aumentar la fuerza de choque entre moléculas. El efecto que se produce es: (1) vencer las fuerzas de repulsión entre los electrones que envuelven las distintas moléculas, y (2) romper los enlaces químicos que hay en una molécula y hacer posible la formación de otros nuevos. La energía inicial necesaria para que las moléculas puedan reaccionar se denomina energía de activación. En el laboratorio, la energía de activación se consigue normalmente con calor. Pero en una célula muchísimas reacciones se están produciendo simultáneamente y el calor afectaría todas estas reacciones indiscriminadamente. El calor rompería también los enlaces de hidrógeno que tan eficaces son en mantener la estructura de las moléculas dentro de la célula, y también tendría otros efectos globales destructivos. Las células solucionan este problema gracias al trabajo de las enzimas, moléculas especiales para catalizar las reacciones. Un catalizador es una substancia que hace disminuir la energía de activación de una reacción, asociándose temporalmente con las moléculas que están reaccionando (Figura 34). Esta unión temporal se traduce en un acercamiento íntimo de las moléculas y puede debilitar los enlaces químicos existentes, con lo que se facilita la formación de nuevos. Como consecuencia, es muy poca la energía inicial que debe usarse para empezar la reacción, y ésta se produce con mayor rapidez que en ausencia del catalizador. El catalizador no se modifica durante el proceso, por lo que puede reutilizarse continuamente.
Gracias a las enzimas, las células pueden llevar a cabo reacciones químicas a grandes velocidades y a temperaturas relativamente bajas. Una sola molécula de enzima puede catalizar la reacción de decenas de miles de moléculas iguales en un segundo. Por esto, las enzimas son particularmente eficaces a concentraciones muy pequeñas. Se conocen cerca de 2.000 tipos diferentes de enzimas, capaces de realizar una reacción química específica. Pero no hay ninguna célula que contenga todas las enzimas conocidas, sino que diferentes tipos de células contienen diferentes tipos de enzimas. Las enzimas particulares que una célula fabrica determinan mayormente la función biológica que tendrá esta célula y sus actividades. Una célula puede tener una cierta reacción química con una velocidad aceptable, sólo si tiene la enzima específica para catalizar dicha reacción. La molécula (o moléculas) sobre la que actúa la enzima se denomina sustrato. Por ejemplo en la reacción esquematizada en la figura 35, la sacarosa es el sustrato de la sacarasa, su enzima. Figura 35. Mecanismo de acción de una enzima