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Macromoléculas
Las macromoléculas son moléculas que tienen una masa molecular elevada, formada por un gran
número de átomos. Generalmente podemos describirlas como la repetición de una o unas pocas
unidades mínimas (monómeros), formando los polímeros. A menudo el término macromolécula se
refiere a las moléculas que contienen más de 100 átomos. Pueden ser tanto orgánicas como
inorgánicas, y se encuentran algunas de gran relevancia en el campo de la bioquímica, al estudiar
las biomoléculas. Dentro de las moléculas orgánicas sintéticas encontramos a los plásticos.
Universalidad de las moléculas orgánicas
Los elementos y moléculas que constituyen a todos los seres vivos son similares
A pesar que en la naturaleza es posible encontrar más de 100 elementos químicos distintos,
los seres vivos estamos organizados por una cantidad reducida de tales elementos y en
proporciones bastante fijas. Por ejemplo, tanto un ser humano como una planta poseen cerca de un
10% de hidrógeno. Claro que tal hidrógeno se encuentra distribuido en una gran gama de moléculas,
tanto orgánicas como inorgánicas. Puede ser parte de una molécula de glucosa (orgánica) o de una
molécula de agua (inorgánica).
Es importante conocer la organización de una célula. Sin embargo, lo que la célula es capaz
de hacer depende de las moléculas que la forman, de las que es capaz de sintetizar, digerir o hacer
reaccionar. Además, conocer las necesidades moleculares del organismo es la base de la nutrición y
los buenos hábitos alimenticios.
Las moléculas orgánicas pueden ser de cuatro tipos y se basan en unos pocos elementos
químicos
En la siguiente tabla (tabla 4) se describen varios aspectos en torno a los cuatro tipos
principales de moléculas orgánicas.
Elementos
Clase de
Descripción
Cómo reconocerlos Función
componente
molécula
principal en los
s
sistemas vivos
Carbohidratos C, H, O
En general su fórmula
Contar los átomos
aproximada es (CH2O)n
de C, H y O
1. Monosacáridos (azúcares
Buscar formas
Fuente de
sencillos), que son
cíclicas, de
energía celular;
principalmente moléculas de
pentágono o
constituyente
cinco carbonos (pentosas),
hexágono
de otros
como la ribosa, o de seis
compuestos
carbonos (hexosas), como la
glucosa y fructosa
Lípidos
1
C, H, O
Ver descripción en página
2. Disacáridos, que son dos
monosacáridos unidos por un
enlace glucosídico, como la
maltosa y la sacarosa
Contar las unidades
de azúcar
3. Polisacáridos, que se
componen de muchos
azúcares unidos por enlaces
glucosídicos, como el
glucógeno y la celulosa
Contar las unidades
de azúcar
Contienen menos O que los
carbohidratos en relación con
el C y el H
1. Grasas neutras.
Combinación de glicerol con
una a tres moléculas de
ácidos grasos:
Monoglicéridos, 1 ácido graso
Diglicéridos, 2 ácidos grasos
Triglicéridos, 3 ácidos grasos
Si los ácidos grasos poseen
enlaces dobles entre átomos
de carbono (C==C), se dice
que están insaturados; de lo
contrario, están saturados
2. Fosfolípidos. Se componen
de un grupo glicerol unido a
uno o dos ácidos grasos y a
una base orgánica que
contiene fósforo
Componentes
de otros
compuestos,
forma de
azúcar de
transporte en
vegetales
Forma de
almacenamient
o de energía
(glucógeno en
animales,
almidón en
vegetales);
componente
estructural de
la pared celular
de plantas1
Buscar el grupo
glicerol en un
extremo de la
molécula:
Fuente de
energía celular
y forma de
almacenamient
o de energía
En
multicelulares,
pueden
funcionar como
aislante térmico
Buscar el glicerol y
la cadena lateral
que contiene fósforo
y nitrógeno
Componente
de membranas
celulares
Proteínas
3. Esteroides. Moléculas
complejas que contienen
átomos de carbono
dispuestos en cuatro anillos
entrelazados (tres
ciclohexanos y un
ciclopentano)
Buscar 4 anillos
enlazados:
4. Carotenoides. Pigmentos
anaranjados y amarillos, que
cocsisten en unidades de
isopreno
Buscar unidades
isopreno
C, H, O, N Uno o más polipéptidos
y por lo
(cadenas de aminoácidos)
común, S enrollados o plegados en
formas características para
cada proteína
Buscar unidades de
aminoácidos unidas
por enlaces C – N
(enlace peptídico)
Algunos son
hormonas,
otros son
colesterol,
sales biliares y
vitamina D;
componentes
de membranas
celulares
El retinol
(importante en
la
fotorrecepción)
y la vitamina A
se forman a
partir de
carotenoides
Estructural:
citoesqueleto,
ribosomas y
membranas.
Enzimática:
transformacion
es químicas,
síntesis de
nuevas
moléculas,
ruptura de
moléculas,
durante la
digestión y
procesamiento
de energía.
Transporte: en
la sangre
(hemoglobina)
y a través de
membranas en
la célula.
Defensa:
anticuerpos.
Hormonal:
señales entre
células en el
organismo.
Receptora:
detección de
estímulos en la
superficie
celular
Clase de
molécula
Ácidos
nucleicos
Elementos
Descripción
componentes
C, H, O, N, P El esqueleto se
compone de grupos
pentosa y fosfato
alternados, de los
cuales se proyectan las
bases nitrogenadas.
ADN: azúcar
desoxirribosa y bases
adenina, timina,
citocina y guanina;
ARN: azúcar ribosa y
bases adenina, uracilo,
citocina y guanina.
Cada subunidad
molecular, llamada
nucleótido, consiste en
una pentosa, un grupo
fosfato y una base
nitrogenada
Existen nucleótidos que
no estructuran ácidos
nucleicos, sino que
tienen 3 grupos
fosfatos, ricos en
energía: el ATP
Cómo
reconocerlos
Buscar un
esqueleto de
pentosa –
fosfato. El ADN
forma una doble
hélice
Función principal en los
sistemas vivos
Almacenamiento,
transmisión y expresión
de la información
genética
Control de la síntesis y la
secuencia de todas las
proteínas, enviando un
mensaje desde el núcleo
al citoplasma (ARN)
Para el caso del ATP,
funciona como la
“moneda de intercambio”
de la energía celular
CARBOHIDRATOS
Figura 22b. Estructura de un polisacárido: el
almidón
LÍPIDOS
Figura 22c. Formación de un triglicérido a partir
de un glicerol y tres ácidos grasos
Figura 22d. Estructura de un fosfolípido
PROTEÍNAS
Figura 22a. Formación de disacárido a partir de
dos monosacáridos
ÁCIDOS NUCLEICOS
Figura 22e. (a) Formación de un dipéptido a partir de dos aminoácidos. (b) Esquema de un polipéptido,
mostrando la diversidad de tipos de aminoácidos y los extremos terminales
Figura 22f. Estructura de un nucleótido
Figura 22g. Organización de una
cadena de nucleótidos, para
configurar un ácido nucleico
El trabajo que realizan las células se basa en la actividad metabólica formada por el
anabolismo y catabolismo
A pesar que las células son estructuras diminutas y están formadas por moléculas mucho
más pequeñas todavía, requieren de una cantidad mínima de energía para funcionar. A lo largo de
esta guía, hemos mencionado varias de las actividades que una célula debe ser capaz de realizar.
Algunas de estas tareas son realizadas por todas las células y otras son más bien exclusivas de
ciertos tejidos. Por ejemplo, la mayoría de las células de un ser humano poseen un citoesqueleto
que facilita el movimiento interno de materiales. Por tanto, una parte de la energía que las células
consiguen, tiene que estar destinada a las proteínas del citoesqueleto. Al contrario, las únicas
células del organismo capaces de fabricar la hormona insulina se ubican en el páncreas. Una parte
de la energía de esas células en particular está destinada a la síntesis de esta importante sustancia.
Son muy pocas las actividades que una célula realiza que no gastan energía. Se puede
mencionar la osmosis por ejemplo. Sin embargo, aún la osmosis requiere de un aporte previo de
energía: si se quiere trasladar agua, previamente deben trasladarse solutos, que frecuentemente
requieren energía para bombearse. Es decir, directa o indirectamente, para una célula nada es
gratuito y debe administrar muy bien sus recursos para poder hacer “de todo”.
Estos recursos son bastante concretos y cuantificables. La fuente más frecuente de energía
que dispone una célula son las moléculas de Adenosín Trifosfato, más conocidas como ATP. Como
se mencionó en la página 19, estas moléculas son elaboradas por las mitocondrias, son derivados
de nucleótidos y poseen un enlace PO4 – PO4 de gran energía potencial. El rompimiento de este
enlace permite utilizar una especie de “palanca molecular” que genera energía mecánica. Si esta
energía es aplicada en una proteína transportadora de membrana, puede usarse para bombear un
ion. Si se usa sobre una proteína citoesquelética, se puede generar desplazamiento de un filamento
sobre otro y conseguir movimiento. Si se dispone en un ribosoma, puede servir para unir dos
aminoácidos.
El conjunto
de
reacciones
químicas
que
posee la célula
destinadas
a
sintetizar
sustancias
se
denomina
Anabolismo.
Directa
o
indirectamente,
toda
reacción
anabólica requiere
Figura 32. Comparación entre molécula de ADP (a) y ATP (b)
ATP
o
algún
derivado para poder realizarse. Son reacciones anabólicas la síntesis de proteínas, de fosfolípidos,
de almidón, de ARN, etc. Se trata de reacciones que aspiran a un nivel de orden superior: un tren es
más complejo y ordenado que un carro independiente. Es más complicado disponer las letras de una
oración en un orden lógico que hacerlo de cualquier manera. El orden implica gasto energético.
Implica inversión.
La contraparte es el Catabolismo. Se dice que todas las reacciones basadas en la
degradación de moléculas son catabólicas. Al contrario de la síntesis, el saldo de una reacción
catabólica es energía disponible. La célula destruye moléculas ya sea para hacer uso de sus
subunidades o porque la energía retenida en esa molécula puede utilizarse. Paradojalmente, la
forma de obtener ATP útil para el anabolismo, son las reacciones catabólicas que separan enlaces
energizados, especialmente en moléculas de carbohidratos.
Figura 33
Dicho de una manera simple, para
elaborar moléculas de ATP se hace uso de la
energía química potencial alojada en los
enlaces C – C que poseen moléculas de
glucosa. Este proceso ocurre en varias
etapas. Se inicia en el citoplasma y finaliza al
interior de las mitocondrias. Fabricar una
molécula de ATP es simple. Basta unir un
fosfato a una molécula de Adenosín Difosfato
(ADP). El problema es que hacerlo es como
encerrar un gran resorte dentro de una
pequeña caja: cuesta trabajo, aunque una
vez logrado, se dispone de una herramienta eficaz para retener energía (ver figura 32).
A diferencia de la glucosa, el ATP no se puede almacenar. Se va usando en la medida que
se sintetiza, tanto en las reacciones anabólicas, como en procesos de transporte de sustancias,
movimiento, etc. Se dice entonces, que las reacciones de la célula están “acopladas”. No puede
haber anabolismo sin catabolismo y viceversa (ver figura 33).
Las enzimas aceleran las reacciones químicas, posibilitando el metabolismo
Figura 34. El esquema representa una reacción
consistente en la transformación de X en Y. En el
primer caso, se requiere una energía de activación “1”
para conseguirlo, representada por la altura que es
necesario levantar una bolita para sacarla de la caja.
Con la reacción catalizada, el trabajo necesario para
sacar la bolita es mínimo.
Las reacciones químicas, en su
mayoría, necesitan, al principio, recibir una
cierta cantidad de energía. Esto pasa
incluso para las reacciones que liberan
energía, como la degradación de la
glucosa o la combustión del gas natural.
Esta energía añadida hace aumentar la
energía cinética de las moléculas y logra
aumentar la fuerza de choque entre
moléculas. El efecto que se produce es:
(1) vencer las fuerzas de repulsión entre
los electrones que envuelven las distintas
moléculas, y (2) romper los enlaces
químicos que hay en una molécula y hacer
posible la formación de otros nuevos. La
energía inicial necesaria para que las
moléculas puedan reaccionar se denomina
energía de activación.
En el laboratorio, la energía de activación se consigue normalmente con calor. Pero en una
célula muchísimas reacciones se están produciendo simultáneamente y el calor afectaría todas
estas reacciones indiscriminadamente. El calor rompería también los enlaces de hidrógeno que tan
eficaces son en mantener la estructura de las moléculas dentro de la célula, y también tendría otros
efectos globales destructivos. Las células solucionan este problema gracias al trabajo de las
enzimas, moléculas especiales para catalizar las reacciones.
Un catalizador es una substancia que hace disminuir la energía de activación de una
reacción, asociándose temporalmente con las moléculas que están reaccionando (Figura 34). Esta
unión temporal se traduce en un acercamiento íntimo de las moléculas y puede debilitar los enlaces
químicos existentes, con lo que se facilita la formación de nuevos. Como consecuencia, es muy poca
la energía inicial que debe usarse para empezar la reacción, y ésta se produce con mayor rapidez
que en ausencia del catalizador. El catalizador no se modifica durante el proceso, por lo que puede
reutilizarse continuamente.
Gracias a las enzimas, las células pueden llevar a cabo reacciones químicas a grandes
velocidades y a temperaturas relativamente bajas. Una sola molécula de enzima puede catalizar la
reacción de decenas de miles de moléculas iguales en un
segundo. Por esto, las enzimas son particularmente eficaces
a concentraciones muy pequeñas.
Se conocen cerca de 2.000 tipos diferentes de enzimas, capaces de realizar una reacción química específica.
Pero no hay ninguna célula que contenga todas las enzimas
conocidas, sino que diferentes tipos de células contienen
diferentes tipos de enzimas. Las enzimas particulares que
una célula fabrica determinan mayormente la función
biológica que tendrá esta célula y sus actividades. Una
célula puede tener una cierta reacción química con una
velocidad aceptable, sólo si tiene la enzima específica para
catalizar dicha reacción.
La molécula (o moléculas) sobre la que actúa la
enzima se denomina sustrato. Por ejemplo en la reacción
esquematizada en la figura 35, la sacarosa es el sustrato de
la sacarasa, su enzima.
Figura 35. Mecanismo de acción de
una enzima