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Introducción a las Biomoléculas
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Moléculas biológicas
La mayor parte de un organismo es agua.
Cuando se descubrieron las moléculas con carbono, se pensó que éstas se encontraban sólo en los organismos vivos y por lo tanto se denominaron moléculas orgánicas, para distinguirlas de las inorgánicas que se encuentran en los objetos inanimados.
La química de la vida gira alrededor de la química del átomo de carbono. La calidad esencial de dicho elemento que le ha permitido cumplir su función, es el increíble número de moléculas que puede formar.
Caption: : Si ésta se evapora, casi todo el peso seco restante consiste en moléculas que contienen átomos de carbono.
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Clasificación de las moléculas biológicas
Las moléculas orgánicas que se encuentran a menudo dentro de las células vivas pueden dividirse en varias categorías según su función en el metabolismo.
1) Macromoléculas.
2) Los bloques de construcción de las macromoléculas.
3) Intermediarios metabólicos (metabolitos).
4) Moléculas con función diversa.
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Macromoléculas
Las moléculas que forman la estructura y realizan las actividades de las células son enormes, llamadas macromoléculas, están bien organizadas y contienen entre docenas y millones de átomos de carbono.
Las macromoléculas pueden dividirse en cuatro categorías principales:
1) Polisacáridos
2) Lípidos
3) Proteínas
4) Ácidos nucleicos
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Biomoléculas
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A mediados del siglo XIX se sabía que la sangre de las personas con diabetes tenía un sabor dulce causado por la concentración alta de glucosa, el azúcar clave en el metabolismo energético.
Claude Bernard, un prominente fisiólogo francés de esa época, buscaba la causa de la enfermedad mediante la investigación del origen del azúcar sanguíneo.
Claude Bernard descubrió que la glucosa llega a la sangre desde el hígado. Observó que el tejido hepático contiene un polímero insoluble de glucosa llamado glucógeno.
Este investigador concluyó que varios componentes de los alimentos (como las proteínas) se transportan al hígado, donde por reacciones químicas se convierten en glucosa y se almacenan como glucógeno. Luego, conforme el cuerpo necesite azúcar como combustible, el glucógeno del hígado se transforma en glucosa, que se libera a la sangre para satisfacer las necesidades de los tejidos.
En la hipótesis de Bernard, el equilibrio entre la formación y la degradación del glucógeno en el hígado era el determinante principal para mantener la concentración relativamente constante (homeostática) de glucosa sanguínea.
Polisacáridos
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Polisacárido - Glucógeno
El glucógeno es un polímero ramificado que contiene un solo tipo de monómero: glucosa.
* La mayor parte de las unidades de azúcar de una molécula de glucógeno se unen entre sí mediante enlaces glucosídicos α(1 → 4) .
* Se forma la rama, se une por un enlace glucosídico α(1 → 6).
El glucógeno sirve como almacén de energía química en la mayor parte de los animales. Por ejemplo, el músculo estriado de los seres humanos casi siempre contiene glucógeno suficiente para funcionar durante 30 min, ejerciendo una actividad moderada.
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Polisacáridos
Las papas y los cereales están formados sobre todo por almidón. En realidad, éste es una mezcla de dos polímeros diferentes, amilosa y amilopectina. La amilosa es una molécula helicoidal no ramificada cuyos azúcares se unen por enlaces α(1 → 4), mientras que la amilopectina es ramificada. Esta última difiere del glucógeno en que está mucho menos ramificada y tiene un patrón de división irregular.
El almidón se almacena como gránulos densos o granos de almidón, incluidos en organelos rodeados por una membrana (plástidos) dentro de la célula vegetal.
Al igual que el glucógeno y el almidón, la celulosa consiste sólo en monómeros de glucosa; sus propiedades difieren tanto de estos polisacáridos porque las unidades de azúcar se unen mediante enlaces β(1 → 4).
La celulosa es el principal componente de las paredes celulares. Las telas de algodón deben su durabilidad a las largas moléculas no ramificadas de celulosa, ordenadas en agregados paralelos para formar cables moleculares, tienen una construcción ideal para resistir fuerzas de tracción (de tensión).
La quitina es un polímero no ramificado del azúcar N-acetilglucosamina, que tiene una estructura similar a la de la glucosa, pero ostenta un grupo acetilamino, en lugar de un grupo hidroxilo unido al segundo carbono del anillo.
La quitina es un material estructural muy abundante entre los invertebrados, se encuentra sobre todo en la cubierta externa de insectos, arañas y crustáceos. La quitina es un material duro y resistente, pero flexible, parecido a ciertos plásticos. Los insectos deben gran parte de su éxito a este polisacárido con grandes opciones de adaptación.
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Unión de los azúcares
Los azúcares pueden unirse entre sí mediante enlaces glucosídicos covalentes para formar grandes moléculas como los polisacáridos.
Las moléculas formadas sólo por dos unidades de azúcar son disacáridos. Éstos sirven sobre todo como reservas de energía de fácil acceso.
La sacarosa o azúcar de mesa, es un componente principal de la dieta en los seres humanos.
La lactosa, presente en la leche de la mayor parte de los mamíferos, aporta a los neonatos el combustible para el crecimiento y desarrollo tempranos.
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Monosacáridos
Los monosacáridos son los azúcares que no se pueden hidrolizar hacia carbohidratos más simples.
Por ejemplo, la glucosa, un azúcar de seis carbonos que contiene un aldehído, se denomina aldohexosa.
La glucosa, la fructosa y la galactosa se encuentran entre los monosacáridos de importancia fisiológica.
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Carbohidratos
Caption: : Los carbohidratos desempeñan una amplia diversidad de funciones biológicas Fuentes de energía (p. ej., la glucosa). Elementos estructurales (p. ej., la celulosa y la quitina en los vegetales y en los insectos, respectivamente). Precursores de la producción de otras biomoléculas (p. ej., aminoácidos, lípidos, purinas y pirimidinas).
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Los lípidos son un grupo diverso de moléculas biológicas no polares cuyas propiedades comunes son su capacidad para disolverse en solventes orgánicos, como el cloroformo o el benceno y su incapacidad para hacerlo en el agua, una cualidad que explica muchas de sus funciones biológicas diversas.
Los lípidos importantes en la función celular incluyen:
1) Grasas
2) Esteroides
3) Fosfolípidos
Lípidos
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Grasas y aceites
Las grasas consisten en una molécula de glicerol unida con enlaces éster a tres ácidos grasos; el compuesto se denomina triacilglicerol o triglicérido.
Los ácidos grasos. Éstos son cadenas largas no ramificadas de hidrocarburos con un solo grupo carboxilo en un extremo.
Una molécula de grasa puede contener tres ácidos grasos idénticos o puede ser una grasa mixta, con más de una especie de ácido graso.
La mayoría de las grasas naturales, como el aceite de oliva (insaturada) o la mantequilla (saturada), son una mezcla de moléculas con distintas especies de ácidos grasos.
Las grasas a temperatura ambiente son sólidas y las podemos encontrar en la carne de los animales.
Los aceites a temperatura ambiente son líquidos y son más comunes en las plantas, como el aceite de linaza, de maíz, de olivo, etc.
Caption: : Las grasas y aceites están constituidas por 3 moléculas de ácidos grasos y 1 de glicerol, debido a esto, reciben el nombre de triglicéridos.
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Las grasas son muy ricas en energía química; 1 g de grasa contiene dos veces más energía que 1 g de carbohidratos. Los azúcares funcionan sobre todo como fuente energética a corto plazo y de acceso rápido, mientras que las reservas de grasa almacenan energía para su consumo a largo plazo.
Debido a que carecen de grupos polares, las grasas son muy insolubles en el agua y se almacenan en las células en forma de partículas de lípido secas.
En muchos animales la grasa está almacenada en células especiales (adipocitos), cuyo citoplasma está lleno con una o unas cuantas gotas grandes de lípido. Los adipocitos tienen una capacidad notable para cambiar su volumen a fin de adaptarse a las cantidades variables de grasa.
Grasas
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Ceras
Caption: : Son ésteres de un ácido graso de cadena larga. Sólidos a temperatura ambiente, poseen sus dos extremos hidrófobos, lo que determina su función impermeabilizar y proteger.
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Fosfolípidos
La mayor parte de los lípidos de la membrana contiene un grupo fosfato, lo que los convierte en fosfolípidos. Como casi todos los fosfolípidos de la membrana están formados sobre una estructura de glicerol, se llaman fosfoglicéridos.
Los fosfoglicéridos de la membrana tienen un grupo adicional unido con el fosfato, casi siempre colina (dando origen a la fosfatidilcolina, PC), etanolamina (dando origen a la fosfatidiletanolamina, PE), serina (fosfatidilserina, PS) o inositol (fosfatidilinositol, PI). Todos estos grupos son pequeños e hidrófilos y junto con el fosfato de carga negativa con el que están unidos, forman un dominio muy hidrosoluble en un extremo de la molécula, llamado grupo principal. En el pH fisiológico, los grupos principales de PS y PI tienen carga general negativa, mientras que los de PC y PE son neutros.
Caption: : Los fosfolípidos son componentes muy importantes de la membrana plasmática de la célula.
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Esteroides
Los esteroides tienen una estructura muy diferente a todos los demás lípidos, pero se clasifican como lípidos porque son insolubles en agua.
Los esteroides se acumulan alrededor de un esqueleto de hidrocarburos característico de cuatro anillos. Uno de los más importantes es el colesterol, un componente de las membranas de las células animales y precursor en la síntesis de diversas hormonas esteroides, como la testosterona, la progesterona y los estrógenos.
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Lípidos
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Proteínas
Caption: : Ejemplos de los miles de estructuras biológicas compuestas en primera instancia por proteínas.
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Proteínas
Las proteínas son las macromoléculas que realizan todas las actividades celulares; son las herramientas y las máquinas moleculares que permiten que los eventos sucedan.
Las proteínas:
como enzimas, aceleran en gran medida las reacciones metabólicas
como cables estructurales, brindan soporte mecánico, tanto dentro de las células como en su periferia.
como hormonas, factores de crecimiento y activadores génicos, realizan una gran cantidad de funciones reguladoras.
como receptores de membrana y transportadores, determinan ante qué reacciona una célula y qué tipos de sustancias entran o salen de ella.
como filamentos contráctiles y motores moleculares, constituyen la maquinaria para los movimientos biológicos.
Entre sus múltiples funciones adicionales, las proteínas actúan como anticuerpos, toxinas, forman coágulos sanguíneos, absorben o refractan la luz y transportan sustancias de una parte del cuerpo a otra.
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Estructura primaria de las proteínas
Las proteínas son polímeros formados por monómeros de aminoácidos. Cada proteína tiene una secuencia única de aminoácidos que le confiere sus propiedades particulares. Muchas de las capacidades de una proteína pueden comprenderse si se examinan las características químicas de sus aminoácidos que las forman.
Durante la síntesis de una proteína, cada aminoácido se une a dos moléculas iguales más, formando un polímero largo, continuo y no ramificado llamado cadena polipeptídica. Los aminoácidos que conforman esta hebra se unen por enlaces peptídicos, creados por la unión del grupo carboxilo de un aminoácido con el grupo amino de su vecino.
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Una proteína típica está compuesta de 300 o más aminoácidos y la secuencia y el número específicos de aminoácidos son únicos para cada proteína.
Al igual que el alfabeto, las 'letras' de aminoácidos se pueden organizar de millones de maneras diferentes para crear 'palabras' y un 'lenguaje' de proteínas completo.
Dependiendo del número y secuencia de aminoácidos, la proteína resultante se plegará en una forma específica. Esta forma es muy importante ya que determinará la función de la proteína (por ejemplo, músculo o enzima). Cada especie, incluidos los humanos, tiene sus propias proteínas características.
Proteínas
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Ácidos nucleicos - ADN y ARN
Caption: : Los ácidos nucleicos son macromoléculas construidas con largas cadenas de monómeros llamados nucleótidos.
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Ácido desoxirribonucleico (ADN)
El ADN dirige el funcionamiento de las células y se transmite a la progenie. Consiste en dos cadenas polinucleotídicas que forman una doble hélice. La información contenida en el DNA está codificada en la forma de la secuencia de bases púricas y pirimídicas.
El ADN está situado dentro del núcleo de la célula eucarionte formando estructuras denominadas cromosomas o cromatina dependiendo de estado celular. Las histonas son unas proteínas que permiten organizar el ADN. Un complejo de ocho histonas envueltas al ADN estructura el nucleosoma. Los conglomerados de nucleosomas forman condensaciones denominadas cromosomas. Cuando la célula no se está dividiendo, el material cromosómico se encuentra libremente formando la cromatina. El ADN sirve como código para la estructura de las proteínas sintetizadas por una célula. La ADN se encuentra en el núcleo, sin embargo, las proteínas se producen en el citoplasma.
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Ácido ribonucleico (ARN)
El RNA consiste en una sola cadena continua, a menudo se pliega sobre sí mismo para producir moléculas con extensos segmentos con enlaces dobles y una estructura tridimensional compleja.Los nucleotidos presentes en el ARN son: Adenina, Uracilo, Guanina y Citosina.
Existen tres tipos de ARN:
ARN ribosomal
ARN mensajero
ARN de transferencia
Estos 3 tipos de ARN en conjunto interpretan el código del ADN y dirigen la síntesis de proteínas en el citoplasma.
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Karp, G. (2014). Biología celular y molecular: Conceptos y experimentos (7a ed. --.). México D.F.: McGraw-Hill.
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