Biología para ingenieros/Estructuras bioquímicas de la vida

Biomoléculas

Se conocen como biomoléculas a las moléculas orgánicas que constituyen a los seres vivos: Lípidos, carbohidratos, proteínas y ácidos nucleicos. Los cuales están formados principalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno, fósforo, nitrógeno y azufre.

Origen de la vida

Hablamos de la Tierra primigenia, Tierra primitiva o Tierra temprana, para referirnos a los inicios de nuestro planeta. La atmósfera de esta Tierra primitiva se caracteriza por tener $CO_{2}$, $N_{2}$ , $H_{2}O$ y $CO$, además, es posible que también incluyera en menor medida $NH_{3}$, $H_{2}S$ y $CH_{4}$ que fueron descompuestos rápidamente por rayos ultravioleta del Sol. Para que se diera la evolución química necesaria para el origen de la vida, se necesitaron cuatro requisitos

• Poco o nada de oxígeno libre:Al ser un compuesto muy reactivo, el oxígeno habría oxidado las moléculas orgánicas. La atmósfera temprana era altamente reductora y cualquier oxígeno libre habría formado óxidos al reaccionar con otros elementos, por esto, el oxígeno se habría ligado en compuestos.
• Energía: Para la construcción de las biomoléculas a partir de materia orgánica simple. La Tierra primitiva tenía disponibilidad de energía gracias a las constantes tormentas, actividad volcánica, meteoritos e intensa radiación ultravioleta producida por el sol que no podía ser filtrada por la ausencia de la capa de ozono.
• Presencia de bloques de construcción químicos: Agua, minerales orgánicos disueltos presentes en forma de iones y gases de la Tierra primitiva.
• Tiempo:Para que las moléculas se acumularan y reaccionaran entre sí. Se estima que la Tierra tiene alrededor de 4600 millones de años.

Estudios en química, biología evolutiva, paleontología, microbiología y otras ramas de la ciencia han aportado evidencia de que la vida se originó hace 3500 a 4000 millones de años, a partir de materia inerte presente en la Tierra primigenia, en una serie de cuatro etapas 1. Monómeros orgánicos:Son las moléculas orgánicas más simples (p.ej. nucleótidos y aminoácidos). Se cree que estos monómeros evolucionaron a partir de compuestos inorgánicos presentes en la tierra primitiva.

2. Polímeros orgánicos:Los monómeros orgánicos se unieron para formar polímeros orgánicos, macromoléculas como el ADN, el ARN y las proteínas.

3. Protocélulas:Los polímeros orgánicos quedaron encerrados dentro de una membrana, de esta forma surgieron los primeros precursores de células: protocélulas o protobiontes.

4. Celulas vivas: Los protobiontes adquirieron metabolismo, lo que les dio la capacidad de autorreplicarse y otras propiedades celulares por medio de evolución biológica.

Después, estas primeras células divergieron a lo largo de millones de años, generando toda la diversidad biológica que conocemos hoy en día

Definición, tipos y función de carbohidratos

Los carbohidratos también conocidos como azúcares, son la fuente universal de energía y están compuestos por carbono, hidrógeno y oxígeno, en una razón de 1:2:1 $(CH_{2}O)_{n}$, donde $n$ es el número de carbonos del esqueleto. Son moléculas hidrofílicas, pues contienen grupos funcionales hidroxilos $(-OH)$ que son polares y forman puentes de hidrógeno con las moléculas de agua

De acuerdo a su composición en cantidad de monómeros, los carbohidratos pueden ser:

• Monosacáridos: Constan de una sola molécula de azúcar, comúnmente se llaman azúcares simples y son las subunidades de los carbohidratos. Un monosacárido puede tener un esqueleto de carbono de tres a siete carbonos. La glucosa es el monosacárido más común en los organismos y se usa como principal fuente de energía celular. Su fórmula química es $C_{6}H_{12}O_{6}$.

Otros ejemplos de monosacáridos son la galactosa, presente en la leche de los mamíferos, la fructosa presente en las frutas que consumimos, y la ribosa y desoxirribosa, presente en el ARN y ADN respectivamente.

Figura 2: Estructuras químicas de dos monosacáridos de seis carbonos

• Disacáridos: Formados por dos monosacáridos unidos mediante un enlace glucosídico, el cual consta de un enlace covalente entre un oxígeno central y dos carbonos. El azúcar de mesa, llamado sacarosa, es un disacárido compuesto por los monosacáridos glucosa y fructosa.

Figura 3: Síntesis de la sacarosa. Un hidrógeno se remueve de la glucosa y un grupo hidroxilo se remueve de la fructosa formando agua y dejando los dos anillos de azúcar unidos por enlaces sencillos al átomo restante de oxígeno

• Polisacáridos:Son polímeros de monosacáridos que, debido a su longitud, en ocasiones se les denomina carbohidratos complejos. Cuando un organismo requiere energía, el polisacárido se rompe para liberar moléculas de azúcar. La forma helicoidal de los polisacáridos expone los enlaces de azúcar con las enzimas hidrolíticas que pueden romperlos. Son ejemplo de esto el almidón y el glucógeno que cumplen una función de almacenamiento de energía a largo plazo en plantas y animales, respectivamente. Por otra parte, la celulosa y la quitina, son polisacáridos que cumplen un papel de soporte estructural en plantas y artrópodos respectivamente.

Figura 4. Estructura y función del almidón. (a) Granos de almidón almacenados en las células de papá para aportar energía para generar nuevas plantas en la primavera. (b) Los almidones son cadenas ramificadas de hasta medio millón de subunidades de glucosa. (c) Estructura precisa de la porción de molécula encerrada en el círculo

Definición, tipos y función de lípidos

Los lípidos son compuestos diversos cuya principal característica es ser solubles en solventes no polares como el Éter el y Cloroformo, y relativamente insolubles en agua. Estas moléculas se componen principalmente de carbono, hidrógeno y algunos grupos funcionales que contienen oxígeno. Los lípidos que contienen poco oxígeno tienden a ser hidrófobos. Los principales grupos de lípidos son:

• Triglicéridos: Conocidos como grasas y aceites, son moléculas de almacenamiento de energía a largo plazo. Están compuestos de ácidos grasos y subunidades de glicerol. Cada ácido graso consiste en una cadena larga de hidrocarburo con un número par de carbonos y un grupo $-COOH$ (carboxilo) en un extremo. Las cadenas de ácidos grasos pueden ser saturadas o insaturadas. Los ácidos grasos saturados no tienen enlaces dobles entre los átomos de carbonos y contienen tantos hidrógenos como los que son capaces de incluir. Los ácidos grasos insaturadas tienen enlaces dobles en la cadena de carbono, lo que reduce el número de átomos de hidrógeno enlazados. Po otra parte, el glicerol es un compuesto de tres carbonos y tres grupos $OH$. Las grasas provenientes de animales son sólidas a temperatura ambiente, mientras que los aceites, provenientes de plantas, son líquidos a temperatura ambiente. Ambos, grasas y aceites, se degradan mediante hidrólisis

• Fosfolípidos: Son triglicéridos que en lugar del tercer ácido graso adherido al glicerol, tienen un grupo fosfato polar. Por esto, los fosfolípidos tienen cabezas polares y colas no polares formadas por las cadenas de hidrocarburo de los ácidos grasos, donde un enlace doble ocasiona que una de las colas se curve. La membrana plasmática de las células consiste en una bicapa de fosfolípidos donde las cabezas polares se orientan hacia el interior y exterior de la célula, mientras que las colas de cada capa quedan una hacia la otra. Cada curvatura de la cola le permite a la membrana ser fluida. Gracias a la bicapa lipídica, la célula se mantiene compartimentalizada y en un constante intercambio controlado con el medio exterior.

Figura 5: Estructura molecular de un fosfolípido

• Esteroides: Su estructura consta de cuatro anillos de carbono fusionados. La diferencia entre los esteroides viene dada por el tipo de grupo funcional que está adherido a su esqueleto. Uno de los principales esteroides es el colesterol, este provee estabilidad a la membrana plasmática de los animales y es el precursor de muchas hormonas sexuales esteroideas como la testosterona y el estrógeno.

Figura 6. Esteroides. (a) Estructura molecular del colesterol, precursor del (b) estrógeno y la (c) testosterona

• Ceras: Son ácidos grasos de cadena larga, conectados a cadenas de carbono que tienen grupos funcionales de alcohol. Se encuentran sólidas en la naturaleza pues presentan un elevado punto de fusión y son hidrofóbicas, lo que les hace impermeables y resistentes a la degradación. En los seres humanos, las glándulas ubicadas en el oído, producen una cerilla que funciona como repelente de insectos y evita que contaminantes externos ingresen al oído y lleguen al tímpano.

Tipo de lípido	Funciones	Usos humanos
Grasas	Almacenamiento de energía a largo plazo en plantas y aislamiento en animales	Mantequilla, manteca de cerdo
Aceites	Almacenamiento de energía a largo plazo en plantas y sus semillas	Aceites de cocina
Fosfolípidos	Componentes de la membrana de plasma	Aditivos de alimentos
Esteroides	Componentes de la membrana de plasma (colesterol). Hormonas sexuales	Medicamentos
Ceras	Protección, prevención de pérdida de agua (cutícula de la superficie de las plantas), cera de abeja, cerilla de los oídos	Velas, cera para pulir

Definición, composición y función de las proteínas

Las proteínas son moléculas sintetizadas mediante la unión de subunidades llamadas aminoácidos. Existe veinte diferentes aminoácidos, cuya estructura básica consta de un carbono central unido a un átomo de hidrógeno y tres grupos funcionales amino $(-NH_{2})$, ácido carboxílico $(-COOH)$ y un grupo $R$ que proporciona las propiedades distintiva de cada aminoácido.

Mediante una reacción de deshidratación, se forma un enlace covalente entre dos aminoácidos, llamado enlace peptídico. Una cadena resultante de dos a cincuenta aminoácidos se conoce como péptido. Una cadena polipeptídica puede tener hasta cientos de aminoácidos de longitud y una proteína está formada de una o más cadenas polipeptídicas

Existen alrededor de cientos de miles de proteínas que son de vital importancia en la estructura y funcionamiento de las células. Algunas de las principales funciones de las proteínas son:

• Metabolismo: Las proteínas enzimáticas incrementan la tasa de reacciones químicas en las células. Son específicas de la reacción y su funcionamiento óptimo abarca intervalos específicos de temperatura y pH
• Soporte: Proteínas estructurales como la queratina que constituye el cabello y las uñas, o el colágeno que da fuerza a los tejidos.
• Transporte:Las proteínas de canal y transporte, se ubican en la membrana plasmática y participan en la regulación de la entrada y salida de sustancias a la célula. La hemoglobina, presente en la sangre, transporta oxígeno a los tejidos.
• Defensa: Los anticuerpos son proteínas del sistema inmune que se combinan con sustancias externas llamadas antígenos, evitando que los antígenos destruyan células y alteren la homeostasis.
• Regulación: Las hormonas proteicas que actúan como mensajeros intercelulares, influyen en el metabolismo de las células. Por ejemplo la insulina, que regula cuánta glucosa hay en la sangre y la hormona del crecimiento
• Movimiento: Las proteínas contráctiles actina y miosina permiten que ciertas partes de las células se muevan, haciendo que los músculos se contraigan.

Definición, tipos y función de ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos son moléculas grandes y complejas que albergan la información genética y definen qué proteínas se van a sintetizar en las células. Se llaman así porque son ácidos que fueron identificados en 1870 por Friedrich Miescher en el núcleo de células de pus. Una molécula de ácido nucleico es una especie de código definido exclusivamente por su secuencia específica de nucleótidos. Existen dos tipos de ácidos nucleicos

Ácido desoxirribonucleico (ADN): Es el componente de los genes, contiene instrucciones para crear todas las proteínas y el ARN necesario en el organismo. El ADN se compone de dos cadenas de nucleótidos unidas por enlaces de hidrógeno y enrolladas entre sí en forma de doble hélice.

Ácido ribonucleico (ARN): Es un ácido nucleico que suele constituirse por una sola cadena de nucleótidos, es muy diverso y contempla una amplia gama de usos. Son ejemplos de esto: El ARN mensajero (ARNm), que especifica cuál será la secuencia de aminoácidos durante el proceso de síntesis de proteínas; el ARN de transferencia (ARNt), que ayuda a traducir la secuencia de ácidos nucleicos de un gen en la secuencia correcta de aminoácidos durante la síntesis proteica; y el ARN ribosomal (ARNr) que funciona como una enzima para formar los enlaces peptídicos entre los aminoácidos de un polipéptido.

Estructuralmente, un ácido nucleico es un polímero de nucleótidos, que consisten en:

• Una azúcar de cinco carbonos (pentosa), que puede ser una ribosa en caso del ARN o una desoxirribosa en el ADN.
• Uno o más grupos fosfatos que son los que le otorgan la acidez a la molécula.
• Una base nitrogenada que puede ser purina de doble anillo (Adenina o Guanina) o una pirimidina de un sólo anillo (Citosina, Timina y Uracilo)

Figura 8: Estructura molecular de las pirimidinas C y T están presentes en el ADN, mientras que C y U en el ARN

Figura 9: Estructura molecular de las purinas. Tanto A como G están presentes en el ADN y el ARN

El enlace que une los nucleótidos entre sí se llama enlace fosfodiéster. Está formado por un grupo fosfato unido covalentemente a los azúcares de los nucleótidos adyacentes.

Anexos

Notas

Proyecto: Biología para ingenieros

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