Propiedades del Agua, Glúcidos, Lípidos y Proteínas en la Biología Celular

Propiedades del Agua

• Elevada fuerza de cohesión entre moléculas: Al ser un fluido dentro de un amplio margen de temperatura, hace que sea casi incompresible.
• Elevada fuerza de adhesión: Las moléculas de agua tienden a adherirse y subir a las paredes de conductos de pequeño diámetro, ascendiendo en contra de la gravedad (capilaridad).
• Elevada tensión superficial: Su superficie opone resistencia a romperse, lo que posibilita que algunos organismos vivan bajo esta película superficial.
• Elevado calor específico: El agua tiene un valor específico alto, lo que la convierte en un buen regulador térmico del organismo frente a los cambios bruscos de temperatura.
• Elevado calor de vaporización: Para pasar de estado líquido a gaseoso hace falta romper todos los enlaces de puentes de hidrógeno, y para ello se precisa mucha energía. El agua que se evapora absorbe calor del organismo, actuando como regulador térmico.
• Densidad más alta en estado líquido que en sólido: En estado sólido, los enlaces de hidrógeno forman una red que ocupa mayor volumen que en estado líquido, por lo que el hielo es menos denso que el agua. El hielo flota sobre el agua y forma una capa superficial termoaislante que posibilita la vida bajo el hielo.
• Elevada constante dieléctrica: El agua es un gran disolvente para los compuestos iónicos, como las sales minerales, y los covalentes polares, como la glucosa.
• Bajo grado de ionización: La concentración de iones hidrógeno y de iones hidroxilo es baja.

Ósmosis

Es el paso del disolvente a través de una membrana semipermeable entre dos disoluciones de diferente concentración. Este paso de disolvente se produce desde la disolución más diluida hasta la más concentrada hasta que las dos disoluciones alcanzan el equilibrio, igualando sus concentraciones. Tiene gran importancia en procesos biológicos. La membrana plasmática es una membrana semipermeable que, según sea la concentración del medio externo, da lugar a diferentes respuestas en la célula.

Glúcidos y sus Componentes

Aldohexosas y Disacáridos

• Glucosa: Presente en los frutos o en la sangre. Polimerizada da lugar a polisacáridos con función de reserva energética (almidón, glucógeno) o función estructural (celulosa).
• Galactosa
• Maltosa: $\alpha(1-4)$ 2 moléculas de D-glucopiranosa.
• Celobiosa: $\beta(1-4)$ 2 moléculas de D-glucopiranosa.
• Lactosa: $\beta(1-4)$ D-galactopiranosa.
• Sacarosa: $\alpha(1-2)$ D-glucopiranosa y D-fructofuranosa.

Polisacáridos

Almidón: Es de reserva, propio de los vegetales. Se acumula en forma de gránulos en el interior de los plastos. Las principales fuentes de almidón son las semillas de cereales y de las legumbres. Está integrado por dos tipos de polímeros:

• Amilosa: Constituido por un polímero de maltosa $\alpha(1-4)$, estructura helicoidal con 6 moléculas de glucosa.
• Amilopectina: Constituida por un polímero de maltosas unidas mediante enlaces $\alpha(1-4)$ con ramificaciones en posición $\alpha(1-6)$.

Funciones de los Glúcidos

• Energética: Constituyen el material energético de uso inmediato para los seres vivos. El glúcido más utilizado por todo tipo de células como fuente de energía es la glucosa (su oxidación libera 4,1 kcal/g). Otros glúcidos, como el almidón, el glucógeno, la sacarosa y la lactosa, son formas de almacenar glucosa. Así, el glucógeno y el almidón permiten acumular miles de moléculas de glucosa en animales y vegetales respectivamente. Estas moléculas, al ser bastante insolubles en agua, pueden almacenarse en grandes cantidades. Por otra parte, y dado que los glúcidos son los primeros productos obtenidos durante la fotosíntesis, constituyen una fuente de carbono para los demás compuestos orgánicos.
• Estructural: Algunos glúcidos forman parte de estructuras celulares y de tejidos. Entre los glúcidos que desempeñan esta función se pueden citar: la celulosa, la pectina y la hemicelulosa, que constituyen la pared celular de las células vegetales; los peptidoglicanos, constituyentes de la pared bacteriana; la quitina, que forma el exoesqueleto de los artrópodos; la ribosa y desoxirribosa, componentes de la estructura del ARN y ADN respectivamente. Los glúcidos (oligosacáridos) unidos covalentemente a las proteínas o a los lípidos de las membranas celulares actúan como receptores de membrana de muchas sustancias y lugares de reconocimiento entre células del mismo tejido.

Propiedades de los Ácidos Grasos

Las propiedades físicas de los ácidos grasos y de los compuestos que los contienen vienen determinadas en gran medida por la longitud y el grado de insaturación de la cadena hidrocarbonada.

Solubilidad

Los ácidos grasos son compuestos anfipáticos, ya que poseen una zona hidrófoba (la cadena hidrocarbonada, con tendencia a formar enlaces de van der Waals con otras cadenas semejantes) y un grupo carboxilo que es polar e hidrófilo. Debido a ello, cuando los ácidos grasos se encuentran en un medio acuoso, sus grupos hidrófilos se orientan hacia las moléculas de agua, mientras que los grupos hidrófobos se alejan de ellas, dando lugar a la formación de micelas, monocapas y bicapas.

Punto de Fusión

Los ácidos grasos saturados, debido a su conformación totalmente extendida, pueden empaquetarse estrechamente, lo que permite la formación de un gran número de fuerzas de van der Waals entre los átomos de las cadenas hidrocarbonadas vecinas (el número de estos enlaces está en relación directa con la longitud de la cadena). Por el contrario, en los ácidos grasos insaturados, los doblamientos provocados por los dobles enlaces de la cadena hidrocarbonada no permiten este empaquetamiento tan fuerte, por lo que las interacciones de van der Waals son más débiles, necesitándose menos energía para romperlas.

Propiedades Químicas de los Ácidos Grasos

Por poseer un grupo carboxilo pueden llevar a cabo:

• Reacciones de esterificación: En las que reaccionan con grupos alcohólicos formando ésteres.
• Reacciones de saponificación: En las que reaccionan con bases fuertes como potasa o sosa, dando la sal potásica o sódica del ácido graso correspondiente, que recibe el nombre de jabón.

Funciones Biológicas de los Lípidos

• Energética: Tal es el caso de las grasas, que al ser moléculas muy poco oxidadas poseen un alto contenido energético. Por ejemplo, la oxidación de 1 gramo de grasa libra 9,4 kcal, más del doble de la que se consigue con la oxidación de 1 gramo de glúcidos o de proteínas (4,1 kcal). Las grasas acumuladas en el tejido adiposo de los animales, además de constituir una reserva energética para el organismo, son un poderoso aislante térmico y, en ocasiones, mecánico (como la grasa que rodea a los riñones).
• Estructural: Los fosfolípidos, esfingoglicolípidos y el colesterol, dada su naturaleza polar, forman parte de las membranas celulares.
• Protectora: Función desempeñada por las ceras al impermeabilizar las superficies en que se depositan.
• Transportadora: Por ejemplo, los ácidos y las sales biliares, que dispersan las grasas facilitando su degradación y posterior absorción intestinal.
• Reguladora: Contribuyendo al normal funcionamiento del organismo. Desempeñan esta función las vitaminas lipídicas (A, D, K, E), así como las hormonas sexuales y hormonas suprarrenales, de carácter también lipídico.

Propiedades de las Proteínas

• Solubilidad: Las proteínas (sobre todo las globulares) en soluciones acuosas forman dispersiones coloidales debido a la polaridad de algunos radicales hidrófilos de los aminoácidos que se quedan dispuestos en la periferia de la molécula. Cada macromolécula proteica queda rodeada de moléculas de agua y no contacta con otras macromoléculas gemelas, con lo que no puede producirse la precipitación.
• Desnaturalización: Las alteraciones de la concentración, del grado de acidez o de la temperatura (calor) provocan la pérdida de solubilidad de las proteínas y la consecuente precipitación. A todo este proceso lo llamamos desnaturalización. Esto es debido a la desaparición de los enlaces débiles (tipo puente de hidrógeno, van der Waals, etc.) y en realidad no afecta a los enlaces peptídicos y, por tanto, a la estructura primaria. Sin embargo, al ver alterada su conformación espacial, la proteína perderá su funcionalidad biológica.
• Especificidad: En las proteínas existen sectores fijos que tienen siempre la misma secuencia de aminoácidos sin que se altere la función biológica de la proteína. Este hecho da lugar a que a lo largo de la evolución se desarrollen infinidad de moléculas proteicas diferentes para cumplir la misma función y, por lo tanto, a que cada especie, o incluso cada individuo, tenga sus propias proteínas específicas. La especificidad de las proteínas dependerá por lo tanto de los sectores variables.

Funciones de las Proteínas

• De reserva: En general las proteínas no tienen función de reserva, pero pueden utilizarse con este fin en algunos casos especiales, como por ejemplo en el desarrollo embrionario: ovoalbúmina del huevo, caseína de la leche y gliadina del trigo.
• Estructural: Son un material de suma importancia que es utilizado en casi todas las estructuras celulares como membranas, material extracelular, complejos macromoleculares, asociadas al ADN, citoesqueletos, fibras del huso acromático, cilios y flagelos, ribosomas, etc. Ejemplos: glucoproteínas de la membrana plasmática, histonas, colágeno (tejidos conectivos, tendones, hueso, cartílago, etc.), elastina (ligamentos, paredes de los vasos sanguíneos, tejido conjuntivo), queratina (en la epidermis, pelos, plumas, uñas, cuernos, escamas), fibroína (en los artrópodos, tela de araña, capullo de seda de las larvas de las mariposas).
• Homeostática: En el medio interno celular y extracelular mantienen el equilibrio osmótico.
• De transporte: Además de las proteínas de transporte que se encuentran en todas las membranas, otras proteínas transportan sustancias por los medios internos. Como ejemplos podemos recordar: hemoglobina, que transporta $O_2$ en la sangre de los vertebrados; hemoocianina, que transporta $O_2$ en los invertebrados; mioglobina, que hace lo mismo en los músculos estriados; citocromos, que transportan electrones en la cadena respiratoria y en la fase luminosa de la fotosíntesis; las lipoproteínas, que transportan lípidos, etc.
• Inmunológica y defensiva: Como ejemplos de este tipo de proteínas tenemos: trombina y fibrinógeno, que son responsables de la coagulación de la sangre; mucinas, germicidas y protectoras de las mucosas digestivas y respiratorias; inmunoglobulinas o anticuerpos sanguíneos, que bloquean la acción de los antígenos.
• Hormonal: Como ejemplos de esta funcionalidad proteica tenemos: insulina, que aumenta la permeabilidad para la glucosa de las membranas plasmáticas; glucagón, que es antagónico de la insulina; somatotropa u hormona del crecimiento, etc.
• Contractil: Debido a la posibilidad que tienen algunas para cambiar de forma manteniendo su estabilidad. Ejemplos típicos son: la actina y la miosina, responsables de la contracción muscular; la dineína de los cilios y flagelos; tubulinas de los microtúbulos y microfibrillas, etc.
• Enzimática: Quizás la función más específica e importante de las proteínas. Las enzimas que controlan el metabolismo celular son de naturaleza proteica.