Fundamentos de Bioquímica: Enlaces, Biomoléculas y Procesos Vitales

Enlaces Químicos y Bioelementos

El enlace covalente se forma cuando dos átomos comparten sus electrones de tal manera que cada átomo completa su capa de valencia. Se distingue entre:

• Enlace covalente no polar: Los electrones se comparten por igual entre átomos con electronegatividad similar.
• Enlace covalente polar: Los electrones no se comparten por igual, generando una distribución asimétrica de carga.

Los bioelementos son los elementos químicos que constituyen los seres vivos.

• Bioelementos primarios: Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O), Nitrógeno (N), Fósforo (P) y Azufre (S). Representan aproximadamente el 96% de la masa de los organismos. Están presentes en todas las estructuras celulares y moléculas biológicas, formando enlaces covalentes que dan lugar a moléculas muy estables.

El enlace hemicetal se forma, por ejemplo, entre el grupo cetona del carbono 2 (C2) y el grupo alcohol del carbono 5 (C5) en las cetohexosas, dando lugar a una estructura cíclica.

• La mutarrotación es el fenómeno por el cual las hexosas y pentosas en disolución acuosa pueden variar su rotación óptica hasta conseguir una situación de equilibrio estable entre las formas anoméricas alfa (α) y beta (β).
• El almidón es un polisacárido de reserva energética fundamental en los vegetales.

El Carbono y el Agua: Pilares de la Vida

El Carbono: Elemento Fundamental

El carbono es un elemento fundamental en la química de la vida debido a varias propiedades clave:

• Su configuración electrónica y su disposición tetraédrica permiten la formación de enlaces covalentes estables.
• Estos enlaces son energéticamente fuertes, lo que confiere estabilidad a las moléculas, pero a la vez son lo suficientemente lábiles para romperse con facilidad en las reacciones metabólicas.
• Posee gran afinidad con el Hidrógeno (H), Oxígeno (O) y Nitrógeno (N), y con el oxígeno forma dióxido de carbono (CO2), esencial para la vida.

La Estructura Química del Agua

La estructura química del agua (H2O) es crucial para la vida:

• Aunque tiene carga neta neutra, se comporta como un dipolo eléctrico debido a la polaridad de sus enlaces O-H.
• Se orienta en torno a partículas polares, formando una envoltura de solvatación que modifica sus propiedades y permite la disolución de muchas sustancias.
• Su estructura reticular se debe a la formación de puentes de hidrógeno entre sus moléculas, lo que le confiere propiedades únicas.
• El agua es el disolvente universal por excelencia, tanto en medios intracelulares como extracelulares.
• Las moléculas polares, tanto iónicas como no iónicas, se disuelven con facilidad.
• Las moléculas anfipáticas (con regiones polares y no polares) se dispersan formando micelas.

Conceptos Ilustrados y Ejemplos Bioquímicos

Dibujo 1: Ósmosis y Membranas Semipermeables

Este esquema ilustra el proceso de ósmosis a través de una membrana semipermeable, que permite el paso de agua pero no de solutos.

• Medio B (Hipertónico): El agua sale de la célula, provocando su deshidratación.
• Medio C (Hipotónico): El agua entra en la célula, causando su hinchazón (turgencia o lisis).

Dibujo 2: La Sacarosa

La imagen representa la sacarosa, un disacárido formado por un enlace O-glucosídico. La sacarosa no posee poder reductor porque sus carbonos anoméricos están implicados en el enlace glucosídico, impidiendo la apertura del anillo y la formación de grupos aldehído o cetona libres.

Lípidos: Estructura y Clasificación

Ácidos Grasos

Los ácidos grasos son ácidos orgánicos monocarboxílicos de cadena larga, generalmente con un número par de átomos de carbono. Se nombran con la terminación '-oico'. Si son insaturados, es necesario indicar el número y la posición de los dobles enlaces.

Lípidos Saponificables

Los lípidos saponificables son ésteres de ácidos grasos. Los lípidos complejos están formados por más de una estructura química diferente. Según el alcohol que los compone, se clasifican en:

• Acilglicéridos
• Fosfoglicéridos
• Céridos
• Esfingolípidos

Bicapa Lipídica

La bicapa lipídica es una estructura fundamental, principalmente formada por fosfoglicéridos, que cumple una función estructural esencial en las membranas celulares.

Grupo Prostético

Un grupo prostético es la parte no proteica que forma parte de las proteínas conjugadas.

Clasificación Detallada de Lípidos

• Lípidos Saponificables:
  • Acilglicéridos: Derivan del glicerol (o glicerina).
  • Fosfoglicéridos: Se forman a partir de un diglicérido.
  • Esfingolípidos: Resultan de la unión de un ácido graso a la esfingosina.
  • Ceras: Se forman por la esterificación de un monoalcohol anfipático con un ácido graso.
• Lípidos No Saponificables:
  • Terpenos: Derivan del isopreno.
  • Esteroides: Se forman a partir de la ciclación del escualeno.
  • Eicosanoides: Todos derivan del ácido araquidónico.

Propiedades de los Ácidos Grasos

• Ácidos grasos saturados: Son sólidos y estables a temperatura ambiente, como los sebos.
• Ácidos grasos insaturados: Son líquidos y viscosos, con menor estabilidad, como los aceites.

Proteínas y Enzimas: Estructura y Función

Proteínas: Enlace Peptídico y Estructura

Los aminoácidos (AA) se unen mediante un enlace peptídico, que se forma entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente, con la pérdida de una molécula de agua. Este enlace amida presenta una estructura plana y rígida, con carácter de doble enlace parcial, lo que restringe la rotación completa alrededor del mismo.

Ejercicio de Emparejamiento

• 1-J
• 2-E
• 3-H
• 4-A
• 5-F
• 6-I
• 7-B
• 8-G
• 9-C
• 10-D

Regulación Enzimática: Retroalimentación Negativa

Este mecanismo representa la retroalimentación negativa o inhibición por feedback. El producto final de una vía metabólica inhibe la actividad de la primera enzima de esa vía, lo que evita la producción excesiva de metabolitos intermedios y optimiza el ahorro energético.

Estructuras Secundarias de Proteínas

• a) Lámina beta (β-plegada): Estructura secundaria de proteínas.
• b) Alfa-hélice (α-hélice): La cadena polipeptídica se enrolla en espiral, y los enlaces de hidrógeno intracatenarios estabilizan esta estructura.

Catálisis Enzimática

La catálisis enzimática es el proceso biológico que permite acelerar la velocidad de las reacciones químicas en los organismos.

• El sustrato de la reacción (B) se une a la enzima (A) para formar el complejo enzima-sustrato (C).
• Tras la reacción, se liberan los productos formados.
• La región de unión entre la enzima (A) y el sustrato (B) se denomina centro activo.