Bioelementos y Biomoléculas

En la composición química de los seres vivos se encuentra solo una parte de los elementos químicos de la naturaleza: los bioelementos. Los indispensables para los seres vivos son: C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe, y en los animales además Cl y Na.

Los elementos C, H, O, N y S se llaman elementos plásticos, por ser constituyentes de los principios inmediatos orgánicos.

Se denominan oligoelementos aquellos que son necesarios para los seres vivos en menor cantidad, también: Li, Ba, Si, Cu…

Los compuestos químicos que se pueden separar de los seres vivos por medios físicos son los principios inmediatos, los cuales forman las biomoléculas. Los orgánicos comprenden los compuestos clasificados en: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Los inorgánicos son el agua y las sales minerales.

Principios Inorgánicos

El Agua

El agua es el compuesto químico más abundante en los seres vivos, aproximadamente el 75% de la materia es agua. Se renueva sin cesar. En el interior de todos los organismos se forma agua como consecuencia de algunas reacciones metabólicas. Su importancia se da en las numerosas funciones, consecuencia de sus propiedades, algunas de ellas:

1. Su gran poder disolvente posibilita que los principios inmediatos se encuentren disueltos en ella, permitiendo su transporte, la localización de reacciones químicas entre ellas, y en muchas de ellas actúa como reactivo.
2. Su capacidad para disociarse en H⁺ y OH^–, permitiendo que el pH permanezca constante gracias al efecto amortiguador de algunas sales minerales disueltas en el agua.
3. Su elevado calor específico impide que el producido en las reacciones exotérmicas destruya células.
4. Su elevado calor latente de vaporización le da el poder refrigerante.
5. Su reducida viscosidad favorece el desplazamiento de órganos que intervienen en la locomoción, por ejemplo: líquido sinovial.
6. Su anómala dilatación: es el único líquido que alcanza el valor máximo de densidad a una temperatura superior a la congelación (4 °C) y hace que la congelación de ríos y lagos comience por la superficie.

Sales Minerales

Las principales son los cloruros, fosfatos, sulfatos, carbonatos y bicarbonatos de sodio, potasio, amonio, calcio y magnesio.

Además de desempeñar en los seres vivos una función plástica, realizan funciones fisiológicas muy importantes:

1. Su actividad osmótica: regulación de las proporciones de agua y sales minerales que permite mantener constante la presión osmótica de sus células.
2. Las acciones de algunos de sus iones regulan la actividad de algunos órganos, favoreciéndola o paralizándola.
3. El efecto amortiguador sobre disoluciones ácidas o básicas permite controlar el pH de los líquidos orgánicos.

Glúcidos

Compuestos de C, H y O, comprenden los azúcares o sacáridos y las sustancias directamente derivadas de ellos.

Se clasifican en osas (monosacáridos) y hósidos.

Monosacáridos

Son azúcares sencillos de 3 a 8 átomos de carbono. Según ello se clasifican en: triosas, tetrosas, pentosas, hexosas, heptosas y octosas.

Son polialcoholes en los que un grupo funcional alcohol se sustituye por un aldehído. Los monosacáridos más importantes son:

• Triosas: gliceraldehído (aldosa)
• Pentosas: ribosa, desoxirribosa (aldosas)
• Hexosas: glucosa, galactosa (aldosas)

Normalmente son de estructura cíclica tridimensional.

Hósidos

Se forman por polimerización de moléculas de monosacáridos. Se clasifican en oligosacáridos y polisacáridos, los más importantes son los disacáridos.

Disacáridos: es la polimerización de dos monosacáridos. Las hexosas son los más importantes, cuya polimerización es reversible, como la sacarosa, lactosa, maltosa.

Polisacáridos

Unión o polimerización de un gran número de moléculas de monosacáridos, entre 300 y 500; la reacción es también reversible. Los principales son la celulosa y el almidón.

Propiedades y Funciones de los Glúcidos

Son solubles en agua, cristalizan y tienen sabor dulce; los polisacáridos son insolubles o forman soluciones coloidales, no cristalizan y son insípidos.

Función Energética

La glucosa es la principal fuente de energía, su oxidación durante la respiración celular proporciona la energía para su actividad vital. El almidón y el glucógeno son las principales reservas vegetales y animales respectivamente.

Función Plástica

Algunos polisacáridos forman parte de las estructuras esqueléticas (celulosa, forma la pared celular vegetal). La ribosa y la desoxirribosa son uno de los componentes básicos de los ácidos nucleicos (ADN, ARN).

Lípidos

Compuestos de C, H y O, pueden contener también P, N y S.

Tienen unas características comunes:

• Sustancias untuosas al tacto.
• Insolubles en agua y otros disolventes polares.
• Solubles en disolventes orgánicos apolares.

Clasificación de los Lípidos

Saponificables

Son aquellos que pueden sufrir saponificación, que es la hidrólisis de un éster originando un ácido carboxílico y un alcohol; es un proceso reversible que se denomina formación de un éster.

En función del tipo de alcohol se clasifican en:

• Grasas: son ésteres de la glicerina y ácidos grasos. Las grasas son líquidas o sólidas con un punto de fusión bajo, según el cual se clasifican en aceites, mantecas y sebos.
• Céridos o ceras: son ésteres de monoalcoholes con ácidos grasos.
• Fosfoglicéridos: son de comportamiento anfipático, ya que sus moléculas tienen una zona hidrófila y otra lipófila (lecitina). Son los principales componentes de la doble capa lipídica de las membranas celulares.
• Esfingolípidos: en su composición están las ceramidas, la esfingosina y un ácido graso. Son de comportamiento anfipático y componentes de las membranas celulares.

Insaponificables

No tienen ácidos grasos ni tampoco son ésteres y, por tanto, no sufren saponificación. A destacar:

• Carotenoides: destacan la carotina y la xantofila.
• Esteroides: en su composición entra el esterano; a destacar el colesterol, los ácidos biliares, el ergosterol, las hormonas sexuales y las de la corteza suprarrenal.

Funciones de los Lípidos

• Función energética: los seres vivos recurren a ellas cuando no tienen suficientes carbohidratos.
• Función plástica: muchos constituyen las membranas plasmáticas y nucleares, las mitocondrias, etc.
• Función protectora y aislante: las ceras protegen e impermeabilizan la superficie de hojas, tallos y frutos de las plantas. En los animales, las grasas se depositan bajo la piel, creando un aislante térmico.
• Función reguladora: muchas hormonas son esteroides.
• Función digestiva: los ácidos biliares provocan la emulsión de las grasas de la alimentación, posibilitando la acción de las enzimas digestivas.

Proteínas

Son compuestos macromoleculares de C, H, O, N y S generalmente.

Propiedades de las Proteínas

• Especificidad: cada especie animal o vegetal sintetiza sus propias proteínas, diferentes incluso en la misma especie. A ello se debe la incompatibilidad o rechazo en transfusiones, injertos o trasplantes. Los carbohidratos y lípidos son comunes a todos.
• Solubilidad: muchas son solubles en agua y otras solo en disoluciones salinas; las disoluciones que se forman coagulan a temperaturas >70 °C o tratadas con alcohol o ácidos, entre otros. Casi siempre es reversible, lo cual se denomina desnaturalización de la proteína.

Aminoácidos

Las proteínas se descomponen por hidrólisis, dando lugar a los aminoácidos, que son sus componentes elementales. Solo hay 20 aminoácidos, los cuales tienen un grupo amino (NH₂) y otro carboxilo (COOH). El grupo amino le da un carácter básico y el carboxilo ácido, por lo que los aminoácidos son anfóteros.

Péptidos

El carácter anfótero les permite combinarse formando los péptidos (cadenas de aminoácidos); reacciona el grupo carboxilo de uno con el amino del otro, formándose un dipéptido. Se unen mediante enlace covalente llamado enlace peptídico; el dipéptido formado es también anfótero, por lo que esta unión se puede repetir infinitamente.

Clasificación de las Proteínas

En función de su composición:

Holoproteínas o proteínas estrictas

Construidas solo por polipéptidos. Según su estructura:

• Globulares o esferoproteínas: sólidas, solubles en agua y en disoluciones polares; destacan las albúminas, las globulinas.
• Filamentosas o fibrilares: sólidas e insolubles en agua; función plástica o estructural; destacan los colágenos, las queratinas, la miosina y las elastinas.

Heteroproteínas

Son la asociación de una proteína estricta (grupo proteico) y otra sustancia no proteica (grupo prostético); según la naturaleza del grupo prostético:

• Glucopéptidos: el grupo prostético es un carbohidrato.
• Lipoproteínas: el grupo prostético es un ácido graso.
• Fosfoproteínas: el grupo prostético es un ácido ortofosfórico.
• Nucleoproteínas: el grupo prostético es un ácido nucleico.

Importancia Biológica de las Proteínas

Intervienen activamente en la mayoría de los procesos vitales. Entre las numerosas funciones destacan:

• Función plástica: forman parte de la mayoría de las estructuras, tanto a nivel celular como a nivel de tejidos.
• Función reguladora: la totalidad de las enzimas son proteínas y también un gran número de hormonas; desempeñan un papel amortiguador, regulando el pH.
• Función de transporte: las lipoproteínas se encargan del transporte de lípidos, la hemoglobina y la hemocianina del oxígeno.

La clorofila realiza la captación de la energía lumínica durante la fotosíntesis y la inmunoglobulina forma anticuerpos que realizan funciones de defensa.

Enzimas

Biocatalizadores

Sustancia que activa una reacción química, o que aumenta o disminuye la velocidad de dicha reacción en los seres vivos; a esta acción se le llama biocatálisis. Los biocatalizadores permiten que las reacciones se realicen a temperatura corporal. Se consideran como tales a las enzimas, las vitaminas y las hormonas.

Enzimas

Son catalizadores biológicos de las reacciones químicas que se realizan en las células; son autógenas, es decir, cada organismo elabora las suyas; tienen especificidad, cada enzima ejerce sobre una sustancia concreta o sobre un tipo de enlace; se necesita una cantidad reducida de ellas para transformar una cantidad elevada de sustrato y después de eso permanecen inalteradas; algunas requieren combinarse con activadores para realizar una acción e inhibidores para pararla.

Se clasifican en:

• Hidrolasas: catalizan las reacciones de hidrólisis de los principios inmediatos en los procesos digestivos. Se hallan los siguientes grupos:
  • Carbohidrasas: hidrolizan los carbohidratos.
  • Esterasas: hidrolizan los ésteres; están las lipasas y fosfatasas.
  • Amidasas: rompen los enlaces C-N; son las proteasas.
• Desmolasas: catalizan la desintegración de los componentes elementales de los principios inmediatos, liberándose una cantidad de energía; se da en la respiración celular, por lo que se llaman también enzimas respiratorias. Destacan: hidrogenasas, oxidasas y desmolasas.

Coenzimas

Muchas enzimas son heteroproteínas, llamándose apoenzima a su grupo proteico y coenzima a su grupo prostético, y holoenzima a la enzima completa. El grupo prostético, también llamado cofactor, puede estar formado solo por un ion metálico o por una molécula orgánica micromolécula. Ahí se utiliza el término coenzima para designar a los grupos prostéticos que pueden separarse con facilidad.

Hay sustancias que actúan como coenzimas:

• Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD): su función es captar los iones de H⁺ y los electrones desprendidos de los sustratos por la acción de las enzimas, transformándose en NADH₂, hasta que recupera su composición primitiva.
• Derivados de la porfirina ferreginada: intervienen en la cadena de transporte de protones y electrones en la respiración celular.
• Adenosín trifosfato (ATP): intervienen en la transferencia de energía.
• Coenzima A: interviene en las reacciones catabólicas de lípidos y en el proceso de respiración.

El ATP: Vector de Energía

La transferencia de energía entre unas y otras reacciones la realiza un compuesto llamado adenosín trifosfato (ATP). Su actividad está basada en la capacidad para desprenderse de una molécula de ácido fosfórico, transformándose en adenosín difosfato (ADP), liberándose una gran cantidad de energía. La energía almacenada en el ATP la utiliza la célula.

Ácidos Nucleicos

Son polímeros formados por la unión de numerosas unidades elementales llamadas nucleótidos. Compuestos únicamente por C, H, N, O y P. Cada nucleótido está formado por:

• Una pentosa: solo puede ser la ribosa o la desoxirribosa; cada ácido nucleico solo puede contener una sola clase de pentosa, por lo que solo hay dos tipos: el ácido ribonucleico (ARN) y el ácido desoxirribonucleico (ADN).
• Una base nitrogenada.
• Ácido fosfórico.

En el ADN nunca aparece el uracilo y en el ARN nunca aparece la timina. Los ácidos nucleicos son sustancias de gran importancia biológica, ya que son los portadores y ejecutores de la información genética de cada ser vivo.

ADN

Ejerce la función portadora, se localiza principalmente en el núcleo celular, en los cromosomas, también en las mitocondrias y los cloroplastos.

ARN

Ejerce las funciones de transferencia de la información genética y ejecución de las instrucciones que contiene; se sitúa tanto en el núcleo como en el citoplasma. La información genética se da a través de mensajes genéticos que consisten en las secuencias específicas de aminoácidos correspondientes a las distintas proteínas del organismo. El ARN se sintetiza tomando como modelo un fragmento de ADN.

Nucleótidos

Formados por la unión de una pentosa, una base nitrogenada y un ácido fosfórico. La unión de una pentosa y una base nitrogenada forma un nucleósido.

Estructura General de los Ácidos Nucleicos

Se sitúan consecutivamente formando una cadena lineal, cuyos eslabones son moléculas de ácido fosfórico y pentosa, dispuestas alternativamente; de cada pentosa cuelga la base nitrogenada.

El ARN está formado por una sola cadena (monocatenario) y el ADN por dos (bicatenario). En la estructura bicatenaria, las dos cadenas se disponen paralelas, con las bases nitrogenadas enfrentadas, entre las que se establecen conexiones, entre una púrica y una pirimidínica; la secuencia de nucleótidos de un filamento depende de la del otro (filamentos complementarios).

En la estructura primaria de los ácidos nucleicos, la secuencia de los mismos presenta una letra más o menos. En la secuencia, el doble filamento del ácido nucleico se dispone formando una doble hélice.

Información Genética

El contenido de cada mensaje genético (secuencia de aminoácidos de una determinada proteína) depende de un fragmento determinado de la cadena de ADN. Cada trío de nucleótidos consecutivos (codón) corresponde a un aminoácido determinado.

El mecanismo por el que una información genética conduce a la síntesis de una proteína específica es:

Sobre un fragmento de ADN se sintetiza un ARN mensajero (ARN-m), la secuencia de nucleótidos del ARN-m es complementaria de la del fragmento de ADN, el cual contiene dicho mensaje; a todo esto se le llama transcripción. El ARN-m emigra al citoplasma, se une a los ribosomas para formar cadenas de aminoácidos, proceso llamado traducción. Los aminoácidos son conducidos a los ribosomas por el ARN transferente (ARN-t), que se combina con los aminoácidos y los coloca en los lugares del ARN-m correspondientes. El ARN-t se encuentra disuelto en el citoplasma, por lo que también se llama ARN soluble. Un tercer tipo de ARN es el ARN ribosómico (ARN-r), que está exclusivamente en los ribosomas y solo tiene función plástica o estructural.

Excepción a la Teoría Celular: Los Virus

Son entidades biológicas muy sencillas, compuestas por una molécula de ácido nucleico, ADN o ARN, rodeada por una cubierta exterior proteica llamada cápside. Su nivel de organización se encuentra en la frontera entre lo vivo y lo inerte. No tienen núcleo, citoplasma, ribosomas ni ATP. Los virus no se nutren y, para reproducirse, utilizan la materia y la maquinaria metabólica de las células huésped. Solo proporcionan la información genética para la reproducción de nuevos virus. Necesitan para su síntesis de las células vivas. Son, por ello, parásitos intracelulares obligados. Esta interferencia en el funcionamiento normal de las células que parasitan es lo que determina su carácter patógeno. Cuando un virus infecta una célula, se desprende de la cápside, penetrando solo el ácido nucleico. Una vez dentro, puede replicarse o unirse al ADN de la célula huésped, incorporándose al material genético de esta.