Fundamentos de Bioquímica: Estructura y Función de Biomoléculas Esenciales

Puentes de Hidrógeno

Se forman en moléculas en las que el Hidrógeno (H) está unido a átomos muy electronegativos y polares.

Biomoléculas Principales

• Glúcidos (Monómero: monosacáridos)
• Lípidos (Componentes: ácidos grasos, alcoholes como el glicerol)
• Proteínas (Monómero: aminoácidos)
• Ácidos Nucleicos (AN) (Monómero: nucleótidos)

Agua (H₂O)

Es la biomolécula inorgánica más abundante.

Estructura del Agua

• Ángulo de enlace de 104.5°.
• Molécula eléctricamente neutra pero polar, ya que forma un dipolo (carga parcial positiva en H, carga parcial negativa en O).
• Capacidad para formar Puentes de Hidrógeno (PdeH) entre moléculas de agua.

Propiedades del Agua

• Alto Poder Disolvente: Establece puentes de hidrógeno con cualquier compuesto iónico o polar, facilitando su disolución.
• Elevado Calor de Vaporización: Se necesita mucha energía para romper los puentes de hidrógeno y convertir el agua líquida en gas. Fundamental para la regulación de la temperatura corporal.
• Fuerzas de Cohesión y Adhesión:
  • Cohesión: Atracción entre moléculas de agua.
  • Adhesión: Atracción del agua a otras superficies polares.
  • Permiten el ascenso de la savia bruta por el xilema en plantas y contribuyen a la turgencia celular.
• Elevada Tensión Superficial: Las moléculas de la superficie están muy cohesionadas, creando una 'película' que permite la vida de algunos organismos sobre el agua.
• Alto Calor Específico: Actúa como amortiguador térmico, resistiendo cambios bruscos de temperatura.
• Reactividad Química: Participa en muchas reacciones metabólicas (hidrólisis) y es esencial para disolver iones.
• Mayor Densidad en Estado Líquido que Sólido (Hielo): El hielo flota, aislando térmicamente las masas de agua inferiores.

Sistemas Tampón (Regulación del pH)

• Tampón Fosfato: Principal regulador del pH en el medio intracelular.
• Tampón Bicarbonato: Principal regulador del pH en el medio extracelular (sangre).

Glúcidos (Hidratos de Carbono)

Son biomoléculas orgánicas formadas principalmente por Carbono (C), Hidrógeno (H) y Oxígeno (O). Químicamente, son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, es decir, cadenas de carbono con múltiples grupos hidroxilo (-OH) asociados a un grupo carbonilo (C=O), que puede ser un aldehído (en un extremo de la cadena) o una cetona (en un carbono no terminal).

Funciones de los Glúcidos

• Función Energética: Principalmente la glucosa como fuente de energía inmediata.
• Reserva de Energía: Como el glucógeno (en animales) y el almidón (en plantas).
• Función Estructural: Como la ribosa y desoxirribosa (en ácidos nucleicos), celulosa (pared celular vegetal), quitina (exoesqueleto de artrópodos, pared celular de hongos), y formando parte de glucolípidos y glucoproteínas.

Clasificación de los Glúcidos

• Monosacáridos (Osas): La unidad básica. Se clasifican en Aldosas (con grupo aldehído) y Cetosas (con grupo cetona). Ej: Glucosa, Fructosa, Ribosa.
• Ósidos: Formados por la unión de monosacáridos.
  • Holósidos: Formados solo por monosacáridos.
    • Oligosacáridos: Unión de 2 a 10 monosacáridos (Ej: Sacarosa, Lactosa).
    • Polisacáridos: Unión de más de 10 monosacáridos.
      • Homopolisacáridos: Repetición de un mismo tipo de monosacárido (Ej: Almidón, Glucógeno, Celulosa, Quitina).
      • Heteropolisacáridos: Formados por más de un tipo de monosacárido (Ej: Pectina, Hemicelulosa, Ácido Hialurónico).
  • Heterósidos: Formados por monosacáridos unidos a una molécula no glucídica (aglucón). Ej: Glucoproteínas y Glucolípidos.

Lípidos

Grupo heterogéneo de biomoléculas orgánicas, compuestas principalmente por C, H, O (a menudo con menor proporción de O que los glúcidos). Son insolubles en agua y solubles en disolventes orgánicos apolares (como éter, cloroformo).

Clasificación de los Lípidos

• Lípidos Saponificables (con Ácidos Grasos): Contienen enlaces éster que pueden hidrolizarse (saponificación).
  • Acilglicéridos (Grasas): Ésteres de glicerol con 1, 2 o 3 ácidos grasos (monoacilglicéridos, diacilglicéridos, triglicéridos). Pueden ser:
    • Líquidas (Aceites): Predominan ácidos grasos insaturados.
    • Sólidas (Sebos): Predominan ácidos grasos saturados.
    Funciones: Reserva energética a largo plazo, aislante térmico, protección mecánica de órganos.
  • Ceras: Ésteres de un ácido graso de cadena larga con un alcohol de cadena larga. Función impermeabilizante y protectora.
  • Lípidos de Membrana: Componentes estructurales de las membranas celulares.
    • Fosfolípidos: Son anfipáticos (cabeza polar, cola apolar).
      • Fosfoglicéridos: Glicerol + 2 Ácidos Grasos + Grupo Fosfato + Alcohol.
      • Esfingolípidos: Esfingosina + 1 Ácido Graso + Grupo Fosfato + Alcohol (Ej: Esfingomielina).
    • Glucolípidos: Contienen uno o más glúcidos unidos a un lípido (ceramida). Se localizan en la cara externa de las membranas celulares, importantes en el reconocimiento celular. (Ej: Cerebrósidos, Gangliósidos).
• Lípidos Insaponificables (sin Ácidos Grasos): No contienen enlaces éster hidrolizables.
  • Esteroides: Derivados del ciclopentanoperhidrofenantreno. Ej: Colesterol (precursor de otros esteroides como hormonas sexuales, vitamina D, ácidos biliares), Hormonas esteroideas (cortisol, aldosterona, testosterona, estrógenos).
  • Terpenos (o Isoprenoides): Polímeros del isopreno. Ej: Vitaminas A, E, K, carotenoides (pigmentos), aceites esenciales.
  • Prostaglandinas: Derivados de ácidos grasos poliinsaturados (ácido araquidónico). Actúan como reguladores locales (inflamación, coagulación, contracción muscular).

Funciones Generales de los Lípidos

• Reserva Energética
• Aislante Térmico
• Protección Mecánica
• Estructural (membranas celulares)
• Transportadora (lipoproteínas)
• Reguladora/Hormonal (hormonas esteroideas, prostaglandinas)
• Vitamínica (vitaminas liposolubles A, D, E, K)

Ácidos Nucleicos

Polímeros de nucleótidos, responsables del almacenamiento y transmisión de la información genética.

Componentes de los Nucleótidos

• Pentosa (Azúcar de 5 Carbonos):
  • Ribosa (en el ARN)
  • Desoxirribosa (en el ADN)
• Base Nitrogenada: Compuestos cíclicos con nitrógeno.
  • Púricas (doble anillo): Adenina (A), Guanina (G)
  • Pirimidínicas (anillo simple): Citosina (C), Timina (T) (exclusiva del ADN), Uracilo (U) (exclusivo del ARN)
• Grupo Fosfato (Ácido Fosfórico): Uno o más grupos fosfato.

Formación de Nucleósidos y Nucleótidos

• Nucleósido: Unión de una pentosa y una base nitrogenada mediante enlace N-glucosídico.
• Nucleótido: Unión de un nucleósido y uno o más grupos fosfato mediante enlace éster fosfórico.

Polinucleótidos: ADN y ARN

Los nucleótidos se unen entre sí mediante enlaces fosfodiéster para formar largas cadenas.

• ADN (Ácido Desoxirribonucleico): Contiene la información genética. Bases: A, T, C, G. Azúcar: Desoxirribosa.
• ARN (Ácido Ribonucleico): Implicado en la expresión de la información genética. Bases: A, U, G, C. Azúcar: Ribosa.

Estructura del ADN

• Estructura Primaria: Secuencia lineal de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster.
• Estructura Secundaria: Modelo de la doble hélice (Watson y Crick).
  • Dos cadenas polinucleotídicas enrolladas helicoidalmente.
  • Cadenas antiparalelas (una en dirección 5' → 3' y la otra en 3' → 5').
  • Cadenas complementarias: Adenina (A) siempre se aparea con Timina (T) (mediante 2 puentes de hidrógeno), y Guanina (G) siempre con Citosina (C) (mediante 3 puentes de hidrógeno).
  • Las bases nitrogenadas se sitúan en el interior de la hélice, unidas por puentes de hidrógeno. Los azúcares y fosfatos forman el esqueleto externo.
• Estructura Terciaria (Empaquetamiento en Eucariotas): El ADN se asocia con proteínas, principalmente histonas, para compactarse.
  • Formación del nucleosoma: El ADN se enrolla alrededor de un octámero de histonas (2 de H2A, H2B, H3, H4).
  • La histona H1 sella la vuelta de ADN alrededor del octámero.
  • Los nucleosomas se conectan mediante ADN espaciador (linker), formando una estructura tipo "collar de perlas" (fibra de cromatina de 10 nm).
• Estructura Cuaternaria (Niveles Superiores de Empaquetamiento): La fibra de cromatina se pliega y enrolla sucesivamente (fibra de 30 nm, bucles, etc.) hasta formar un cromosoma metafásico, el máximo nivel de compactación.

Tipos y Estructura del ARN

Generalmente es una molécula lineal monocatenaria (una sola cadena), aunque puede presentar plegamientos y regiones de doble hélice.

• ARN Mensajero (ARNm): Copia la información de un gen del ADN y la transporta a los ribosomas para la síntesis de proteínas. Es una molécula lineal.
• ARN Ribosómico (ARNr): Forma parte estructural de los ribosomas, junto con proteínas. Tiene actividad catalítica (ribozima).
• ARN de Transferencia (ARNt): Transporta aminoácidos específicos hasta los ribosomas durante la síntesis proteica. Tiene una estructura característica en forma de 'hoja de trébol' (secundaria) y 'L' (terciaria), con una región clave llamada anticodón (complementaria al codón del ARNm) y un extremo 3' que termina en la secuencia CCA, donde se une el aminoácido. El extremo 5' suele tener Guanina y ácido fosfórico.

Nucleótidos No Nucleicos (Función Energética y Coenzimática)

• ATP (Adenosín Trifosfato): Principal moneda energética de la célula. Almacena energía en sus enlaces fosfato de alta energía.
• ADP (Adenosín Difosfato): Resulta de la hidrólisis del ATP, liberando energía.
• GTP (Guanosín Trifosfato): Similar al ATP, participa en la señalización celular y como fuente de energía en algunos procesos (ej: síntesis de proteínas).
• Otros nucleótidos actúan como coenzimas (ej: NAD+, FAD).