BIOMOLÉCULAS
Todos los fenómenos biológicos descansan sobre una base molecular. Las moléculas que integran los organismos vivos no solo se rigen por todos los principios físicos y químicos que gobiernan el comportamiento de todas las moléculas, sino también por otro conjunto de reglas fundamentales que existen en la naturaleza: las funciones e interacciones de los tipos específicos de moléculas presentes en los organismos vivos las cuales los dotan de la capacidad de organizarse y reproducirse por si mismos. Las bases moleculares de la vida que se estudiaran a continuación son
Agua Minerales Vitaminas Lípidos Carbohidratos Acidos nucleicos Proteínas


De todas las moléculas que componen a los organismos vivos la mas abundante es sin duda el agua. Esta sustancia se encuentra formando entre el 50 y el 95 % del peso de cualquier organismo vivo.

El agua es el líquido mas común en el planeta, ocupando las ¾ partes de la superficie. Fue en este medio donde surgió la vida hace mas de tres mil millones de años. Actualmente donde quiera que se encuentre agua, existe vida, como por ejemplo en témpanos de hielo, en aguas termales, en aguas saladas o estancadas y en las hojas de los arboles. Ademas casi todas las reacciones químicas, de transporte de sustancias y transformación de la energía de la célula ocurren en un medio acuoso y la propia célula en si generalmente esta rodeada por agua.
Estructura del agua
El agua esta formada por dos atomos de hidrógeno unidos cada uno a un atomo de oxígeno por un enlace covalente polar, por lo que su fórmula química es H2O. Estos atomos no estan ubicados enlínea recta sino que forman un angulo cuyo vértice es el atomo de oxígeno


El atomo de hidrógeno es el mas sencillo de todos, posee un protón (carga positiva) y un electrón (carga negativa). Este único electrón es compartido en el enlace con el oxígeno, el cual es muy electronegativo. Dicha electronegatividad (fuerza con la que se atraen los electrones del enlace) hace que el electrón perteneciente al hidrógeno se encuentre desplazado hacia el oxígeno creando una zona débilmente negativa alrededor de este atomo. Por otro lado al alejarse el electrón del hidrógeno se crea en su vecindad una zona débilmente positiva, debido a esto la molécula de agua se comporta como un dipolo.



Entre las propiedades del agua se encuentran que es un líquido inodoro, insípido e incoloro que puede existir en la naturaleza en los tres estados de agregación de la materia. El agua ademas de existir en estado líquido también existe en estado sólido y gaseoso. Otras propiedades son que posee un elevado punto de ebullición y elevado calor de vaporización, esto hace que sea un medio ideal para que las reacciones exotérmicas ocurran sin daño para el organismo, y para disipar calor comportandose como termorregulador, por ejemplo en loa sudoración. En el agua líquida cada molécula esta asociada por puentes de hidrógeno a otras cuatro moléculas de agua, en el agua sólida o hielo estos enlaces son rígidos y permanentes.
Funciones del agua
El agua debido a su gran polaridad disuelve mas y en mayor cantidad que cualquier otro líquido por lo que constituye el disolvente universal. Ademas la posibilidad de formación de puentes dehidrógeno entre el hidrógeno y los grupos atómicos oxigenados y nitrogenados hace que estos sean solubles en agua por lo que los procesos metabólicos se producen en medio acuoso. El agua es un medio dispersante ya que en ella se encuentran múltiples iones dispersos y ademas se encuentran en dispersión homogénea moléculas de sustancias organicas.
El agua ademas participa en muchas reacciones enzimaticas, interviene en la eliminación de sustancias y en la absorción de calor, favorece la difusión de gases y otras sustancias funcionando como medio de transporte, es reactivo de las reacciones de hidrólisis de muchos procesos metabólicos, es un componente importante de los fluidos transportadores de nutrientes como la savia y la sangre, así como favorece la estabilidad de agrupaciones hidrofóbicas como las cadenas hidrocarbonadas.

Minerales
Las sales minerales tienen un papel importante y esencial en la vida de los organismos. La función fundamental de las sales, y en general de los minerales, es la de formar parte de estructuras específicas así como de participar en la regulación de los procesos fisiológicos y metabólicos vitales de los organismos. Entre ellos se destaca la dirección del flujo de líquido en los tejidos, la regulación del PH, activación de complejos enzimaticos y de reacciones bioquímicas así como proporcionar rigidez y dureza a algunos tejidos.
El hombre requiere de estos elementos en forma variable. Aquellos que se necesitan en grandes cantidades se denominan macroelementos y los que utilizamos en pequeñas cantidades se denominan microelementos o elementos trazas.
Diariamente nuestro organismoelimina cantidades considerables de sales inorganicas en el sudor, la orina, lagrimas y heces fecales. La forma de suministrar y reponer estas pérdidas es a través de la dieta, por eso es tan necesario mantener una dieta balanceada donde se encuentren todos ellos en las cantidades requeridas.

A continuación se exponen las tablas 1.3 y 1.4, con algunos de los elementos químicos que forman parte tanto de los macro como de los microelementos, se incluyen las cantidades diarias de algunos de ellos así como sus funciones y la fuente de obtención.
Ver pag 53 Ejemplos, funciones y fuentes de obtención de los microelementos.






Vitaminas
Las vitaminas son un grupo de compuestos esenciales que el organismo no puede sintetizar o lo hace en cantidades insuficientes por si mismo, sin embargo estos compuestos son absolutamente imprescindibles para que su crecimiento y metabolismo sean normales.
Estos compuestos no suministran energía y no se utilizan como unidades estructurales de macromoléculas en el organismo pero son esenciales para las reacciones de transferencia de energía y para la regulación del metabolismo, por lo que la función principal de dichos compuestos es la de regular importantes y vitales procesos metabólicos de las células y de forma general del organismo.
La mayoría de las vitaminas actúan como coenzimas en las reacciones bioquímicas las cuales son compuestos químicos complejos imprescindibles para que ocurran determinadas reacciones químicas.



Clasificación
Las vitaminas no pertenecen a un grupo químico en particular sino que presentan una gran variedad de estructuras por lo seclasifican atendiendo a su solubilidad en agua o lípidos. Las que son solubles en agua se denominan hidrosolubles, como por ejemplo la vitamina C, mientras que las vitaminas solubles en lípidos (insolubles en agua) se denominan liposolubles.
Debido a la necesidad de la presencia de estas biomoléculas en el organismo y a la insuficiente síntesis de ellas, se debe suministrar diariamente las cantidades requeridas a través de la dieta. Es recomendable en cada comida ingerir una dieta balanceada.
En las tablas 1.5 y 1.6 se presenta un resumen de las vitaminas, sus funciones, síntomas provocados por su deficiencia y las principales fuentes de obtención de las mismas.

Ejemplos, funciones, síntomas de deficiencia y fuentes de obtención de las vitaminas hidrosolubles. Ver pag 56
Ejemplos, funciones, síntomas de deficiencia y fuentes de obtención de las vitaminas liposolubles.

Lípidos
Los lípidos son biomoléculas insolubles en agua que pueden extraerse de las células con disolventes no polares como el benceno, el éter, el cloroformo, etc. Estas biomoléculas pertenecen a una familia grande de compuestos cuyas características en común es el esqueleto hidrocarbonado que les da su caracter apolar e hidrofóbico. La función fundamental de los lípidos en los organismos es la de servir como reserva y fuente de energía, formar las membranas celulares así como constituir sustancias de gran actividad biológica como hormonas y vitaminas. Ademas pueden unirse a proteínas formando lipoproteínas que desempeñan diversas funciones.
Clasificación de los lípidos
Los lípidos se han clasificado de diversas maneras. Una formade clasificarlos es atendiendo a sus estructuras. Los lípidos complejos se caracterizan por tener acidos grasos en sus estructuras y dentro de ellos se encuentran los triacilglicéridos o triacilgliceroles, fosfoglicéridos, esfingolípidos y las ceras. Estos lípidos también se conocen como lípidos saponificables. Por otra parte los lípidos simples no contienen acidos grasos en su estructura y dentro de ellos estan los terpenos y esteroides, al no poseer acidos grasos se clasifican como lípidos insaponificables.
Entre las funciones generales de los lípidos se encuentran
Participan en la coagulación de la sangre (la cefalina forma parte de la tromboplastina) Relacionados con la inmunidad celular y los sitios de reconocimiento célula – célula (glicoesfingolípidos) Se encuentran formando parte de las terminaciones nerviosas. Son precursores de vitaminas (terpenos) Material de reserva energética en el organismo. Termorreguladores del organismo (triacilglicéridos) Protección contra traumas físicos. Constituyen entre el 40 y el 50% de las membranas celulares (fosfoglicéridos, colesterol y esfingolípidos) Actividad hormonal (andrógenos y estrógenos) Digestión (lípidos precursores de sales biliares


En la tabla 1.7 se relacionan los ejemplos y las funciones de los grupos de lípidos:
Ver pag 58

Glúcidos o Carbohidratos
Los carbohidratos son las biomoléculas mas abundantes en el planeta. La función de las mismas es la de actuar como reserva y fuente rapida de energía, como moléculas formadoras de estructuras de protección o formar parte de algunas macromoléculas como los acidos nucleicos ademas de participarjunto a lípidos y proteínas de membrana en el reconocimiento celular.
Su nombre se debe a que este tipo de sustancias tienen fórmulas que sugieren que son hidratos de carbono. Por ejemplo, la fórmula química de un monosacarido como la glucosa, es C6H12O6, puede escribirse como C6(H2O)6, como si el atomo de carbono estuviera hidratado.
Los carbohidratos pueden ser clasificados de acuerdo al número de moléculas de monosacaridos que contienen. Una molécula de monosacarido esta formada generalmente por atomos de carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O), aunque pudieran presentar otros atomos.
Según esta clasificación los carbohidratos pueden ser monosacaridos, oligosacaridos y polisacaridos. Los monosacaridos son la unidad estructural mas sencilla de los glúcidos. Los oligosacaridos de 2 a 10 unidades de monosacaridos unidos por enlaces covalentes denominados glucosídicos, mientras que los polisacaridos estan formados por largas cadenas que tienen cientos o miles de monosacaridos que se unen por enlaces covalentes (Tabla 1.8). ver pag 59 Clasificación, fórmula general y ejemplos de carbohidratos.


Entre las funciones mas importantes de los carbohidratos se encuentran
Material energético (la glucosa fundamentalmente y el almidón en las plantas). Sustancia de reserva (almidón en plantas y glucógeno en los animales).

Protección y sostén (celulosa y quitina). Sustancia anticoagulante (heparina). Vitaminas (acido ascórbico). Antibióticos (estreptomicina). Intervienen en la determinación de los grupos sanguíneos. Función estructural en los acidos nucleicos (ribosa y desoxirribosa).







Acidosnucleicos
Los acidos nucleicos son macromoléculas cuya función es almacenar y transmitir la información genética en los organismos vivos. Existen dos tipos de acidos nucleicos: el acido desoxirribonucleico (ADN) y el acido ribonucleico (ARN). Ambos presentan características que los diferencian y características en común como lo es su caracter polimérico, es decir, que estan formados por muchas unidades las cuales reciben el nombre de nucleótidos.
Los nucleótidos son moléculas complejas debido a que estan formados por tres tipos diferentes de compuestos: una base nitrogenada, un azúcar pentosa (cinco atomos de carbono) y un grupo fosfato.
En esta estructura el orden de unión siempre sera el siguiente, la base nitrogenada se une al azúcar pentosa y esta a su vez se une al grupo fosfato (Figura 1.30). Estructura general de un nucleótido. P: grupo fosfato, A: azúcar pentosa, BN: base nitrogenada, O: atomo de oxígeno. Ver pag 60



Estos nucleótidos son clasificados en dependencia al tipo de azúcar: si el azúcar es la desoxirribosa se denominan desoxirribonucleótidos, y si el azúcar es ribosa reciben el nombre de ribonucleótidos.
Las bases nitrogenadas pueden ser de dos tipos: purínicas y pirimidínicas, las purínicas estan formadas por dos anilllos compuestos por carbono y nitrógeno, mientras que las pirimidínicas estan formadas por un solo anillo. Las purínicas son la adenina (A) y la guanina (G), y las pirimidínicas son la timina (T), la citosina (C) y el uracilo (U) (Tabla 1.9). ver pag 61



El acido desoxirribonucleico (ADN), contiene como azúcar la desoxirribosa y como bases nitrogenadas a la adenina,guanina, citosina y timina, mientras que el acido ribonucleico (ARN) contiene la azúcar ribosa y como bases nitrogenadas a la adenina, guanina, citosina y uracilo (en lugar de timina), como se muestra en la tabla 1.10. El grupo fosfato es común para ambos tipos de acidos nucleicos Componentes de los acidos nucleicos. Pag 62

Acido desoxirribonucleico (ADN)
Al ADN es un polímero formado por la unión de desoxirribonucleótidos. Estos son los desoxinucleótidos de adenina, guanina, citosina y timina. La unión de ellos se realiza mediante el enlace fosfodiéster explicado anteriormente entre el azúcar de un nucleótido y el grupo fosfato de l nucleótido siguiente como se observa en la figura 1.31.
El ADN esta formado por dos cadenas, es decir es una molécula bicatenaria, cada una de ellas como la descrita anteriormente.
Dichas cadenas estan enrolladas de forma que describen una doble hélice alrededor de un eje común por lo que se dice que el ADN tiene una estructura denominada doble hélice. Estas cadenas se unen entre sí por puentes de hidrógeno que se establecen entre las bases nitrogenadas las cuales quedan orientadas hacia el interior de la doble hélice, mientras que los grupos fosfato y las moléculas de azúcar quedan orientadas hacia afuera en contacto con el medio acuoso formando el esqueleto externo de la molécula de ADN.


Acido ribonucleico (ARN)
El ARN es una molécula monocatenaria, es decir formada por una sola cadena. Los nucleótidos que forman dicha cadena son los de adenina, guanina, citosina, uracilo y el azúcar es la ribosa. Estos nucleótidos se unen entre sí por medio del enlace fosfodiésterde igual forma que en el ADN.
Existen tres tipos de ARN que son: el ARN mensajero (ARNm), el ARN de transferencia (ARNt) y el ARN ribosomal (ARNr) (Figura 1.33). Todos los tipos de ARN se forman en el núcleo en el proceso de transcripción que tiene lugar a partir del ADN.


Estructura de los tres tipos de ARN.
El ARN desempeña diversas funciones en las células relacionadas fundamentalmente con la síntesis de proteínas
ARN mensajero: transporta el mensaje genético desde el núcleo al citosol. ARN de transferencia: se une a diferentes aminoacidos y los transporta al lugar donde ocurre la síntesis de proteínas. ARN ribosomal: es una molécula estructural que, asociada a proteínas, forma los ribosomas.

Como se puede apreciar a partir de las funciones de los ARN, los acidos nucleicos estan íntimamente ligados a la síntesis de proteínas en las células, de la secuencia de bases nitrogenadas del ADN depende la secuencia de aminoacidos que posee una proteína específica.
Proteínas
Las proteínas son las moléculas organicas mas versatiles de las células. Participan en todas las funciones que las células realizan. Debido a esto, las proteínas han sido objeto de estudios para conocer sus estructuras, funciones, localización y como interactúan con otros componentes de la célula. En la actualidad se conocen miles de proteínas diferentes, cada una con funciones específicas. Todas ellas estan formadas por los atomos de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, y pueden contener también azufre y otros atomos adicionales, como elementos metalicos.
Cuando se analiza la composición y estructura química de las proteínas seencuentran que estan formadas por secuencias de aminoacidos. Por esto, para comprender las propiedades de estas macromoléculas y analizar la relación que se establece entre sus estructuras y las funciones que realizan, se debe primero analizar sus componentes.

Aminoacidos

Los aminoacidos son moléculas organicas de bajo peso molecular. Casi todas las proteínas estan formadas por 20 tipos de aminoacidos diferentes. Estos compuestos se denominan así porque presentan un grupo amino (NH2) y un grupo acido o carboxilo (COOH). La estructura general de un aminoacido se representa en la figura
Estructura general de un L- alfa aminoacido.

Como se observa, todos los aminoacidos poseen una parte constante formada por un grupo amino (NH2) y un grupo carboxilo (COOH) unidos a un atomo de carbono que se denomina alfa y ademas por una cadena lateral R, que varía de un aminoacido a otro. Los aminoacidos debido a sus grupos amino y carboxilo, pueden estar cargados de diferentes maneras cuando se encuentran en solución. Las propiedades eléctricas, sobre todo la de las cadenas laterales R, influiran en la forma o estructura tridimensional de las proteínas.
Existen 20 aminoacidos los que son utilizados en la síntesis de proteínas. Muchos animales vertebrados carecen de la capacidad de sintetizar cierto número de aminoacidos y los necesitan ya preformados para su dieta, estos se denominan aminoacidos esenciales, mientras que existen aminoacidos que el organismo puede sintetizar y se denominan aminoacidos no esenciales

Aminoacidos esenciales y no esenciales ver pag 65



Péptidos y estructuras de las proteínas
Unpéptido es aquélla estructura formada por dos o mas aminoacidos unidos por enlaces peptídicos. Cuando el péptido sobrepasa un determinado peso molecular se le denomina proteína. Una proteína puede estar formada por cientos de aminoacidos. Esto provoca que sus estructuras sean realmente complejas. Para el estudio de estas macromoléculas se ha dividido la estructura de las proteínas en cuatro niveles de complejidad (primario, secundario, terciario y cuaternario) los cuales se describen a continuación
Nivel primario: Esta dado por la secuencia lineal de aminoacidos. Esta secuencia es característica de cada proteína y el cambio de solo uno de estos aminoacidos cambiaría la secuencia o estructura primaria de esa proteína y se convertiría en otra (Figura 1.36).
Nivel secundario: Es la disposición espacial de la cadena peptídica lo largo de un eje (Figura 1.37). Existen diferentes conformaciones que puede adoptar la proteína como por ejemplo: la hélice alfa y la conformación beta.

Hélice alfa: En esta conformación el eje peptídico se encuentra en forma de hélice o helicoidal. Esta estructura se estabiliza por puentes de hidrógeno entre los elementos de una misma cadena. Esta conformación es característica de las proteínas alfa queratinas que forman el pelo.
Conformación beta: Formada por el esqueleto covalente que adopta una forma de hoja plegada. Esta estructura se estabiliza por puentes de hidrógeno entre los elementos de los enlaces peptídicos de dos cadenas que se enfrentan. Esta conformación es típica de proteínas que forman las uñas, cascos de los animales y picos de las aves.
Nivel terciario: Escaracterístico de las proteínas globulares y esta representado por los plegamientos de la cadena peptídica en las tres direcciones del espacio (Figura 1.37), en este nivel la estructura se estabiliza por interacciones hidrofóbicas y otras. Este nivel estructural determina la actividad biológica de las proteínas globulares. La mioglobina es un ejemplo de proteína con dicha estructura.
Nivel cuaternario: este nivel se refiere a la unión de dos o mas cadenas peptídicas denominadas subunidades proteicas de forma tal que el conjunto de todas es el que presenta actividad biológica, un ejemplo de este nivel es la hemoglobina, proteína encargada de transportar el oxígeno en los eritrocitos de la sangre, la cual esta formada por cuatro subunidades y para que sea funcional necesita de la presencia de todas (Figura 1.37



Clasificación de las proteínas:
Las proteínas pueden calcificarse en fibrosas y globulares.
Las fibrosas tienen una estructura alargada y de forma general son muy resistentes e insolubles en agua, generalmente tienen estructura secundaria. Son elementos basicos estructurales en el tejido conectivo de los animales superiores, como por ejemplo el colageno de los tendones y de la matriz de los huesos, la alfa queratina del cabello, cuernos, plumas, uñas y picos de las aves.
Las globulares generalmente tienen forma redondeada o esférica. La mayoría de ellas son solubles en agua. Son poco resistentes a los cambios producidos por la temperatura y acidez del medio. Desempeñan una función móvil o dinamica en la célula, como por ejemplo las enzimas, los anticuerpos, algunas hormonas y proteínas transportadoras.Desnaturalización:
Cuando sobre una proteína influyen determinados agentes que provocan pérdida de su estructura tridimensional y esta comienza a perder su actividad biológica se dice que esta experimentando un proceso llamado desnaturalización, el cual va acompañado de una disminución en la solubilidad y la molécula adquiere una forma relajada o extendida aún cuando la estructura primaria no cambia.
Dentro de los agentes desnaturalizantes mas importantes se encuentran la variación de la temperatura y las variaciones del ph

Funciones de las proteínas
Las proteínas son elementos basicos para el mantenimiento de la vida. Las funciones que realizan estan íntimamente ligadas a las estructuras que poseen cada una de ellas, por ejemplo las proteínas de la sangre deben ser solubles en agua y la solubilidad esta dada por su estructura. Las proteínas que se encuentran en las membranas de las células deben tener una estructura que les permita anclarse a esas membranas y permanecer ahí.
A continuación se relacionan algunas de las funciones de las proteínas teniendo en cuenta que dichas funciones estan determinadas por las estructuras de las proteínas.
Enzimas: actúan como biocatalizadores debido a que aumentan la velocidad de las reacciones que ocurren en los organismos. Presentan en su estructura una zona llamada centro activo en el cual se unen determinadas moléculas llamadas sustratos que son transformadas en productos por las enzimas. Regulan la actividad metabólica de cada organismo. Las reacciones químicas catalizadas por las enzimas tienen un 100 % de eficiencia y no se obtienen subproductos.Transportadoras: proteínas que funcionan transportando sustancias dentro de las células o en todo el organismo. La hemoglobina es un ejemplo, que transporta el oxígeno en el interior de los eritrocitos o glóbulos rojos hacia los diferentes tejidos. Otro ejemplo lo constituyen las proteínas transportadoras que se encuentran en las membranas celulares. Hormonas: proteínas que regulan la actividad fisiológica del organismo, por ejemplo: la insulina que tiene función hipóglicemiante. Estructurales: proteínas encargadas de formar estructuras para dar forma, rigidez o movimiento a la célula. Por ejemplo las proteínas de las membranas celulares y del citoesqueleto. Defensa: los anticuerpos son proteínas encargadas de defender al organismo ante la entrada de agentes patógenos o externos al cuerpo. Contracción: proteínas cuyas estructuras les permiten participar en la contracción muscular, como por ejemplo la actina y la miosina.

Resumen
Los organismos estan formados por células y estas a su vez por moléculas que se relacionan entre sí de manera organizada que son denominadas biomoléculas, sin la presencia de las cuales es imposible la vida. Estas son: el agua, los minerales, las vitaminas, los lípidos, los carbohidratos, los acidos nucleicos y las proteínas.
El agua es el líquido mas común en el planeta, es el principal componente de la materia viva y tiene propiedades muy especiales que se derivan de su estructura molecular como el hecho de que es un dipolo eléctrico lo que tiene gran importancia en su papel de disolvente universal, ademas es el medio idóneo para la ocurrencia de las reacciones metabólicas