Biomoléculas Esenciales

Aminoácidos

Los aminoácidos son compuestos orgánicos de bajo peso molecular que, al unirse, forman proteínas. Se componen de carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno; algunos también contienen azufre. Poseen en su molécula un grupo carboxilo, un grupo amino y una cadena lateral (grupo R), unidos covalentemente a un átomo de carbono. Su fórmula general es H₂N-CHR-COOH. Son sólidos, solubles en agua, cristalizables, incoloros y con alta temperatura de fusión. Existen 20 aminoácidos proteicos que son constituyentes básicos de las proteínas, y otros 150 que son no proteicos.

Glúcidos

Los glúcidos (también conocidos como carbohidratos o hidratos de carbono) son biomoléculas formadas principalmente por átomos de carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O). Pueden contener nitrógeno (N), azufre (S) o fósforo (P). Se encuentran en forma de macromoléculas resultantes de la unión de múltiples monómeros. Su fórmula general es C_nH_2nO_n. Químicamente, son aldehídos y cetonas con múltiples grupos hidroxilo.

Clasificación de los Glúcidos

• Los glúcidos más simples son los monosacáridos.
• Su unión constituye los ósidos, que se dividen en:
  • Heterósidos: compuestos de monosacáridos con fracciones moleculares de naturaleza no glucosídica.
  • Holósidos: constituidos por osas. Se dividen en:
    • Oligosacáridos: contienen entre 2 y 10 monosacáridos. Los más importantes son los disacáridos.
    • Polisacáridos: compuestos por múltiples unidades repetitivas de monosacáridos. Se dividen en:
      • Homopolisacáridos: repetición de un único monómero.
      • Heteropolisacáridos: contienen más de un tipo de monómero.

Lípidos

Los lípidos son sustancias químicas muy heterogéneas constituidas por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), fósforo (P), nitrógeno (N) y azufre (S). Son untuosos al tacto, insolubles en agua y solubles en disolventes orgánicos. Sus funciones biológicas incluyen roles estructurales, energéticos, vitamínicos y hormonales.

Clasificación de los Lípidos

• Ácidos grasos (saturados, insaturados)
• Lípidos Saponificables:
  • Simples (acilglicéridos, ceras)
  • Complejos (fosfolípidos, esfingolípidos)
• Lípidos Insaponificables (terpenos, esteroides, eicosanoides)

Nucleótidos y Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos son macromoléculas biológicas encargadas de almacenar, transmitir y expresar información genética de una generación a la siguiente. Existen dos tipos: ADN (Ácido Desoxirribonucleico) y ARN (Ácido Ribonucleico). Están constituidos por unidades más pequeñas llamadas nucleótidos, que a su vez están formados por una base nitrogenada, una pentosa y una molécula de ácido fosfórico.

Componentes de los Nucleótidos

• Bases Nitrogenadas: compuestos heterocíclicos formados por carbono y nitrógeno. Hay dos tipos:
  • Bases púricas: derivan de la purina. Son la adenina (A) y la guanina (G). Presentes en el ADN y en el ARN.
  • Bases pirimidínicas: derivan de la pirimidina. Son la citosina (C), timina (T) (en ADN) y uracilo (U) (en ARN).
• Pentosas: pueden ser dos: la ribosa (en ARN) o la desoxirribosa (en ADN). Son monosacáridos cíclicos.
• Nucleósidos: unión entre una base nitrogenada y una pentosa mediante un enlace N-glucosídico entre el C1′ de la pentosa y un nitrógeno de la base.
• Nucleótidos: ésteres fosfóricos de los nucleósidos. Se forman por la unión de un nucleósido con una molécula de ácido fosfórico.
• Ácido Fosfórico: presente en nucleótidos en forma de ión fosfato.

Organización de la Materia Viva

Bioelementos

Los bioelementos son elementos que forman parte de los seres vivos en proporciones muy variables. Se clasifican en:

• Bioelementos primarios (más abundantes y presentes en todos los seres vivos): H, C, N, O, P, S. Integran el esqueleto de las biomoléculas gracias a la propiedad del carbono de dar lugar a largas cadenas carbonadas.
• Bioelementos secundarios (poco abundantes, pero presentes en todos los organismos): Na, Mg, Cl, K, Ca. Están presentes en las sales minerales.
• Bioelementos traza u oligoelementos (muy escasos, pero presentes en todos los organismos): Mn, Fe, Co, Cu, Zn.
• Elementos ultratraza (muy escasos y presentes solo en algunos organismos): B, F, Al, Br, I.

Principios Inmediatos y Biomoléculas

Los principios inmediatos están formados por la combinación de bioelementos. Si un material biológico se trata solo mediante procedimientos físicos que no cambian la composición molecular, se aíslan diversas sustancias químicas sin alterar. Estas reciben el nombre de principios inmediatos, que comprenden las biomoléculas exclusivas de los seres vivos, el agua y las sales minerales. A los bioelementos se les da el nombre de principios mediatos de la materia viva y pueden aislarse mediante métodos químicos.

Técnicas de Estudio Biológico

Microscopía

Microscopio Óptico (MO)

El Microscopio Óptico (MO) está formado por dos juegos de lentes: el ocular y el objetivo. Cuenta además con otras partes como la platina, el condensador o el revólver.

Tipos de Microscopios Ópticos

• Microscopio estereoscópico o lupa binocular: permite apreciar el relieve de la muestra. El ocular y el objetivo están duplicados.
• Microscopio binocular: se observa con ambos ojos. No se aprecia relieve.
• Microscopio monocular: se utiliza solamente un objetivo y un ocular. Se observan imágenes de mayor aumento y más resolución que con el microscopio estereoscópico.

Microscopio Electrónico de Transmisión (MET)

El MET se emplea para observar secciones muy finas de muestras. Para que el material biológico resulte opaco a los electrones, la muestra se tiñe con átomos de un metal pesado, que impregnan regiones hidrófilas de la muestra, lo que provoca la dispersión de los electrones incidentes. Si se interpone una película fotográfica en blanco y negro, esta queda impresionada. Las partes oscuras de la pantalla corresponden a partes que han dispersado los electrones y las regiones claras han permitido el paso de electrones.

Microscopio Electrónico de Barrido (MEB)

El MEB es un instrumento destinado a examinar la superficie de muestras sin seccionar. Permite observar objetos previamente sombreados. La muestra se recubre por evaporación al vacío con una capa de platino. El haz de electrones es lanzado contra el objeto. Las moléculas de la muestra se excitan y emiten electrones secundarios que se recogen en una pantalla monocromática de un monitor. Una de las principales características del MEB es que confiere a las imágenes una calidad tridimensional.

Técnicas de Separación y Detección

Cromatografía

La cromatografía es una técnica destinada a separar los componentes disueltos de una muestra a medida que se desplazan por una matriz porosa. Se basa en el fenómeno de capilaridad y en la diferente afinidad. Los componentes de la cromatografía pueden asociarse en dos fases: la fase móvil (contiene el disolvente) y la fase inmóvil (formada por una matriz porosa).

Electroforesis

La electroforesis tiene el mismo fundamento físico que la cromatografía (capilaridad y diferente afinidad), pero se lleva a cabo en presencia de un campo eléctrico. Las moléculas con carga eléctrica neta se separan según su capacidad para migrar en un campo determinado. La electroforesis se lleva a cabo con un soporte de gel de poliacrilamida o de agarosa, que se instala en contacto con una disolución tampón.

Ultracentrifugación

La ultracentrifugación consiste en someter una mezcla homogénea de un tejido a una rotación con gran velocidad angular para que haya una gran fuerza centrífuga, lo que provoca que, aunque las masas de distintas partículas sean muy similares, se sedimenten en tiempos diferentes.

Técnica de Radioisótopos

Unas sustancias conocidas como trazadores pueden manifestar su presencia de alguna forma, permitiendo a los científicos localizarlos en los experimentos. Los trazadores se marcan con radioisótopos radiactivos, confiriendo al átomo la tendencia a fragmentarse para alcanzar configuraciones estables. La desintegración de un isótopo radioactivo libera energía y puede detectarse. Existen dos técnicas para la detección de la radiactividad:

• Espectrometría de centelleo líquido: se basa en la propiedad de ciertas moléculas fosforescentes para absorber parte de la energía de una partícula y liberarla.
• Autorradiografía: se utiliza para detectar radioisótopos inmovilizados.

Sombreado Metálico

En el MET se pueden conseguir imágenes que reflejen la textura superficial del material biológico mediante la técnica de sombreado metálico, que consiste en depositar una capa de oro y platino, evaporado al vacío. Un baño ácido disuelve el material biológico, dejando una réplica metálica que puede ser examinada con el MET.

Criofractura

La criofractura consiste en congelar la muestra rápidamente. Para evitar daños, la muestra se sumerge en compuestos crioprotectores. Las muestras de tejido congelado se fracturan, lográndose un plano de fractura o fisura. Acto seguido, se deposita una fina capa de un metal pesado con cierta inclinación para obtener una réplica. Finalmente, se deposita una capa de carbón que elimina el material celular. La réplica se observa con relieve en el microscopio.

El Agua y las Sales Minerales

Características de la Molécula de Agua (H₂O)

• La molécula de agua está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno unidos por enlaces covalentes, formando un ángulo de 104,5º.
• Es eléctricamente neutra. Esta distribución espacial de cargas eléctricas se define como momento dipolar, que da lugar a una molécula caracterizada por la ausencia de carga neta, en la que se establece un dipolo y adquiere carácter polar.
• Las moléculas de agua pueden interaccionar mediante atracciones electrostáticas, estableciendo enlaces o puentes de hidrógeno. Cada átomo de oxígeno con carga negativa atrae a una de las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otra molécula, formando hasta cuatro enlaces de hidrógeno por cada molécula de agua. Además, pueden establecer enlaces de hidrógeno con otras moléculas polares.

Propiedades del Agua

Las principales propiedades del agua son:

• Elevada cohesión molecular.
• Elevada tensión superficial.
• Elevada fuerza de adhesión.
• Elevado calor específico.
• Elevado calor de vaporización.
• Densidad.

Sales Minerales

Las sales minerales son moléculas inorgánicas presentes en todos los seres vivos que se encuentran disueltas o asociadas a moléculas orgánicas, y están en estado sólido o en forma precipitada.

Sales Minerales Disueltas

Son las sales minerales solubles en agua, se encuentran disociadas en sus iones y forman parte de los medios intracelular y extracelular. Los más abundantes son:

• Aniones: cloruro (Cl^–), fosfato (PO₄^3-), bicarbonato (HCO₃^–), nitrato (NO₃^–), fosfato monoácido (HPO₄^2-) y carbonato (CO₃^2-).
• Cationes: sodio (Na⁺), calcio (Ca²⁺), magnesio (Mg²⁺), hierro (Fe^2+/3+) y potasio (K⁺).

Funciones de las Sales en Disolución

Las sales minerales colaboran en el mantenimiento de la homeostasis. Además, realizan funciones específicas en forma de ión libre o asociadas a moléculas orgánicas como lípidos, proteínas o glúcidos. Las principales funciones de las sales solubles son:

• Mantener el grado de salinidad en los organismos.
• Regular la actividad enzimática.
• Estabilizar las dispersiones coloidales.
• Generar potenciales eléctricos.
• Regular la presión osmótica y el volumen celular.
• Regular el pH.

Disoluciones Amortiguadoras del pH

Los sistemas tampón o buffer mantienen el pH constante cuando se les añade un ácido o una base. Contienen dos especies iónicas en equilibrio formadas por ácidos débiles, sus bases conjugadas o bases débiles y sus ácidos conjugados. Son imprescindibles para mantener la vida, al permitir la realización de funciones bioquímicas y fisiológicas. Los tampones fisiológicos pueden ser de naturaleza orgánica, como las proteínas, los aminoácidos y el tampón hemoglobina, o inorgánica, como los tampones bicarbonato y fosfato. El tampón bicarbonato tiene gran importancia a la hora de expulsar CO₂, y el tampón fosfato tiene gran importancia en el medio intracelular.

Sales Minerales Precipitadas

Son las sales minerales insolubles en la materia viva y se encuentran en estado sólido. Las sales minerales precipitadas que se hallan en los seres vivos tienen diferencias importantes con respecto a las que están presentes en la materia inorgánica. Los más abundantes en los organismos son los silicatos, carbonatos y fosfatos.

Funciones de las Sales Precipitadas

Tienen la función de formar estructuras de protección o sostén.

• Carbonato cálcico:
  • Forma parte de los caparazones de los protozoos marinos.
  • En animales vertebrados, endurece huesos y dientes.
  • También constituye los otolitos, cristales presentes en el oído interno para mantener el equilibrio.
  • Constituye el esqueleto externo de los corales, forma las conchas e impregna el exoesqueleto de algunos artrópodos.
  • Confiere rigidez a la estructura de algunas esponjas.
• Silicatos:
  • Constituyen las espículas de algunas esponjas.
  • Conforman los caparazones protectores de algunos microorganismos.
  • Endurecen las estructuras de algunos vegetales.
• Fosfato cálcico:
  • Forma parte de la matriz mineral que compone los tejidos óseos de los animales vertebrados.

Procesos Celulares Fundamentales

Ósmosis

La ósmosis es un proceso de difusión pasiva que se realiza a través de una membrana semipermeable que permite el paso de disolventes pero no de solutos. Cuando la membrana semipermeable separa medios con diferente concentración, el disolvente se difunde desde la disolución más diluida a la más concentrada. El agua es capaz de atravesar las membranas celulares semipermeables para penetrar en el interior celular o salir de él. Esta capacidad depende de la diferencia de concentración. Los medios acuosos separados por membranas semipermeables que poseen diferentes concentraciones reciben el nombre de:

• Hipotónicos: contienen una concentración de solutos baja.
• Hipertónicos: si tienen una elevada concentración de solutos.

Las moléculas de agua se difunden desde los medios hipotónicos hacia los hipertónicos, provocando la presión osmótica. Si, en el proceso osmótico, se alcanzara el equilibrio, igualándose las concentraciones, ambos serán medios isotónicos.

Comportamiento de las Células en Diferentes Medios

• Medio Hipertónico: Cuando el medio externo celular es hipertónico con respecto al medio interno, la célula pierde agua, provocando:
  • Disminución del volumen celular.
  • Aumento de la presión osmótica en el interior celular.
  • En células animales, este proceso de deshidratación se denomina crenación.
  • En las células vegetales, puede provocar la rotura de la célula o plasmólisis.
• Medio Hipotónico: Cuando el medio es hipotónico, el agua penetra en el interior de la célula, provocando:
  • Aumento del volumen celular.
  • Disminución de la presión osmótica en el interior celular.
  • En las células animales, puede generarse un estallido celular (hemólisis).
  • En células vegetales o bacterianas, se produce rigidez en las paredes celulares (turgencia).
• Medio Isotónico: Cuando las células se encuentran en un medio isotónico, se mantiene el equilibrio.

Profundizando en los Glúcidos

Oligosacáridos

Los oligosacáridos son cadenas cortas de entre 2 y 10 monosacáridos. Los más importantes son los disacáridos, que contienen 2 monosacáridos unidos mediante enlace O-glucosídico.

Enlace O-Glucosídico

El enlace O-glucosídico se establece entre dos grupos hidroxilo de diferentes monosacáridos. Se realiza un proceso de síntesis por condensación o deshidratación debido a la liberación de una molécula de agua, quedando ambos monosacáridos unidos por un puente de oxígeno. Estos compuestos reciben el nombre de O-glucósidos. Si en el enlace intervienen el hidroxilo del carbono anomérico del primer monosacárido y un grupo alcohol del segundo monosacárido, se establece un enlace monocarbonílico. Si participan los grupos hidroxilo de los carbonos anoméricos de ambos monosacáridos, será un enlace dicarbonílico.

Disacáridos

Los disacáridos son la unión de dos monosacáridos mediante enlace O-glucosídico mono o dicarbonílico, que puede ser alfa (α) o beta (β) en función de la posición del -OH del carbono anomérico del primer monosacárido. Los disacáridos con enlace dicarbonílico pierden su carácter reductor.

Tipos de Disacáridos

• Maltosa: Es producto de la hidrólisis del almidón o del glucógeno. Formada por dos moléculas de (alfa)-D-glucosa unidas por un enlace monocarbonílico (α1-4) fácilmente hidrolizable.
• Lactosa: Es el azúcar de la leche de los mamíferos. Está compuesta por la unión monocarbonílica (β1-4) de (beta)-D-Galactosa y (beta)-D-Glucosa. Posee carácter reductor y no forma polímeros.
• Sacarosa: Es el azúcar de consumo habitual. Está constituida por la unión dicarbonílica (α1-2) de (alfa)-D-Glucosa y (beta)-D-Fructosa. No tiene carácter reductor.
• Celobiosa: Resulta de la hidrólisis de la celulosa. Formada por dos moléculas de (beta)-D-Glucosa unidas con enlace (β1-4) monocarbonílico. Posee carácter reductor y es difícil de hidrolizar.

Monosacáridos

Triosas

Se encuentran en forma de ésteres fosfóricos en el interior de células. Intervienen en el metabolismo de la glucosa y otros glúcidos.

• Gliceraldehído: aldotriosa más simple y posee solo un carbono asimétrico.
• Dihidroxiacetona: único monosacárido que no posee actividad óptica.

Tetrosas

Intermediarios del metabolismo de la glucosa.

• Eritrosa: interviene en procesos bioquímicos relacionados con la nutrición autótrofa.

Pentosas

Cinco átomos de carbono (C).

• Ribosa: componente estructural de nucleótidos en estado libre.
• Xilosa: componente del polisacárido xilana.
• Arabinosa: se presenta en forma L. Presente en la goma arábiga.
• Ribulosa: importante en la fijación de CO₂ atmosférico.

Hexosas

• Glucosa: el más abundante y principal nutriente de los seres vivos. Mediante la respiración celular es degradado para obtener energía.
• Galactosa: forma parte de la lactosa, de polisacáridos complejos y de heterósidos.
• Manosa: componente de polisacáridos presentes en vegetales, bacterias, levaduras y hongos.
• Fructosa: se halla en las frutas libre o unida a la glucosa (sacarosa). Se denomina levulosa.