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Biomolécula

Representación de la estructura de la mioglobina , mostrando las hélices alfa , representadas por cintas. Esta proteína fue la primera cuya estructura se resolvió mediante crist...

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Representación de la estructura de la mioglobina , mostrando las hélices alfa , representadas por cintas. Esta proteína fue la primera cuya estructura se resolvió mediante cristalografía de rayos X por Max Perutz y John Kendrew en 1958, por lo que recibieron el Premio Nobel de Química.

Una biomolécula o molécula biológica se define, en términos generales, como una molécula producida por un organismo vivo y esencial para uno o más procesos típicamente biológicos . [ 1 ] Las biomoléculas incluyen macromoléculas grandes como proteínas , carbohidratos , lípidos y ácidos nucleicos , así como moléculas pequeñas como vitaminas y hormonas . Un nombre general para esta clase de materiales es materiales biológicos . Las biomoléculas son un elemento importante de los organismos vivos. A menudo son endógenas , [ 2 ] es decir, producidas dentro del organismo, [ 3 ] pero los organismos generalmente también necesitan biomoléculas exógenas , por ejemplo, ciertos nutrientes , para sobrevivir.

Las biomoléculas y sus reacciones se estudian en biología y sus subdisciplinas, la bioquímica y la biología molecular . La mayoría de las biomoléculas son compuestos orgánicos , y solo cuatro elementos —oxígeno , carbono , hidrógeno y nitrógeno— constituyen el 96 % de la masa del cuerpo humano . Sin embargo , muchos otros elementos, como los diversos biometales , también están presentes en pequeñas cantidades.

La uniformidad tanto de tipos específicos de moléculas (las biomoléculas) como de ciertas vías metabólicas son características invariables entre la amplia diversidad de formas de vida; por lo tanto, estas biomoléculas y vías metabólicas se denominan "universales bioquímicos" [ 4 ] o "teoría de la unidad material de los seres vivos", un concepto unificador en biología, junto con la teoría celular y la teoría de la evolución . [ 5 ]

Tipos de biomoléculas

Existe una amplia variedad de biomoléculas, entre las que se incluyen:

Nucleósidos y nucleótidos

Los nucleósidos son moléculas formadas por la unión de una nucleobase a un anillo de ribosa o desoxirribosa . Algunos ejemplos son la citidina (C), la uridina (U), la adenosina (A), la guanosina (G) y la timidina (T).

Los nucleósidos pueden ser fosforilados por quinasas específicas en la célula, produciendo nucleótidos . Tanto el ADN como el ARN son polímeros , que consisten en moléculas largas y lineales ensambladas por enzimas polimerasas a partir de unidades estructurales repetitivas, o monómeros, de mononucleótidos. El ADN utiliza los desoxinucleótidos C, G, A y T, mientras que el ARN utiliza los ribonucleótidos (que tienen un grupo hidroxilo (OH) adicional en el anillo de pentosa) C, G, A y U. Las bases modificadas son bastante comunes (como las que tienen grupos metilo en el anillo de la base), como se encuentra en el ARN ribosómico o en los ARN de transferencia , o para distinguir las hebras nuevas de las antiguas del ADN después de la replicación. [ 6 ]

Cada nucleótido está compuesto por una base nitrogenada acíclica , una pentosa y de uno a tres grupos fosfato . Contienen carbono, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y fósforo. Sirven como fuentes de energía química ( adenosín trifosfato y guanosín trifosfato ), participan en la señalización celular ( guanosín monofosfato cíclico y adenosín monofosfato cíclico ) y se incorporan a importantes cofactores de reacciones enzimáticas ( coenzima A , flavina adenina dinucleótido , flavina mononucleótido y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato ). [ 7 ]

Estructura del ADN y del ARN

La estructura del ADN está dominada por la conocida doble hélice formada por el apareamiento de bases de Watson-Crick entre C y G, y A y T. Esto se conoce como ADN en forma B , y es, con diferencia, el estado más favorable y común del ADN; su apareamiento de bases altamente específico y estable es la base del almacenamiento fiable de la información genética. El ADN a veces puede presentarse como cadenas simples (que a menudo necesitan ser estabilizadas por proteínas de unión a cadena simple) o como hélices en forma A o Z , y ocasionalmente en estructuras 3D más complejas, como el entrecruzamiento en las uniones de Holliday durante la replicación del ADN. [ 7 ]

Imagen estereoscópica 3D de una ribozima intrónica del grupo I (archivo PDB 1Y0Q); las líneas grises muestran pares de bases; las flechas en forma de cinta muestran regiones de doble hélice, de azul a rojo desde el extremo 5' al 3'; la cinta blanca es un producto de ARN.

El ARN, en cambio, forma grandes y complejas estructuras terciarias tridimensionales que recuerdan a las proteínas, así como las hebras simples sueltas con regiones plegadas localmente que constituyen las moléculas de ARN mensajero . Estas estructuras de ARN contienen muchos tramos de doble hélice en forma A, conectados en disposiciones tridimensionales definidas por bucles, protuberancias y uniones de hebra simple. [ 8 ] Ejemplos de ello son el ARNt, los ribosomas, las ribozimas y los ribointerruptores . Estas estructuras complejas se ven facilitadas por el hecho de que la cadena principal del ARN tiene menos flexibilidad local que el ADN, pero un amplio conjunto de conformaciones distintas, aparentemente debido a las interacciones tanto positivas como negativas del grupo OH adicional en la ribosa. [ 9 ] Las moléculas de ARN estructuradas pueden unirse de forma altamente específica a otras moléculas y pueden ser reconocidas específicamente; además, pueden realizar catálisis enzimática (cuando se las conoce como " ribozimas ", como descubrieron inicialmente Tom Cech y sus colegas). [ 10 ]

Sacáridos

Los monosacáridos son la forma más simple de carbohidratos con un solo azúcar simple. Esencialmente contienen un grupo aldehído o cetona en su estructura. [ 11 ] La presencia de un grupo aldehído en un monosacárido se indica con el prefijo aldo- . De manera similar, un grupo cetona se denota con el prefijo ceto- . [ 6 ] Ejemplos de monosacáridos son las hexosas , glucosa , fructosa , triosas , tetrosas , heptosas , galactosa , pentosas , ribosa y desoxirribosa. La fructosa y la glucosa consumidas tienen diferentes tasas de vaciamiento gástrico, se absorben de manera diferente y tienen diferentes destinos metabólicos, lo que brinda múltiples oportunidades para que dos sacáridos diferentes afecten de manera diferente la ingesta de alimentos. [ 11 ] La mayoría de los sacáridos eventualmente proporcionan combustible para la respiración celular.

Los disacáridos se forman cuando dos monosacáridos, o dos azúcares simples, se unen con eliminación de agua. Se pueden hidrolizar para obtener sus unidades estructurales de sacarina hirviéndolos con ácido diluido o haciéndolos reaccionar con enzimas apropiadas. [ 6 ] Ejemplos de disacáridos incluyen la sacarosa , la maltosa y la lactosa .

Los polisacáridos son monosacáridos polimerizados, o carbohidratos complejos. Tienen múltiples azúcares simples. Ejemplos de ello son el almidón , la celulosa y el glucógeno . Generalmente son grandes y a menudo presentan una conectividad ramificada compleja. Debido a su tamaño, los polisacáridos no son solubles en agua, pero sus numerosos grupos hidroxilo se hidratan individualmente al exponerse al agua, y algunos polisacáridos forman dispersiones coloidales espesas al calentarse en agua. [ 6 ] Los polisacáridos más cortos, con 3 a 10 monómeros, se denominan oligosacáridos . [ 12 ] Se desarrolló un sensor de impresión molecular por desplazamiento de indicador fluorescente para discriminar sacáridos. Este sensor discriminó con éxito tres marcas de zumo de naranja. [ 13 ] El cambio en la intensidad de fluorescencia de las películas sensoras resultante está directamente relacionado con la concentración de sacáridos. [ 14 ]

Lignina

La lignina es una macromolécula polifenólica compleja compuesta principalmente por enlaces beta-O4-arilo. Después de la celulosa, la lignina es el segundo biopolímero más abundante y uno de los componentes estructurales primarios de la mayoría de las plantas. Contiene subunidades derivadas del alcohol p -cumarílico , el alcohol coniferílico y el alcohol sinapílico , [ 15 ] y es inusual entre las biomoléculas por ser racémica . La falta de actividad óptica se debe a la polimerización de la lignina que ocurre a través de reacciones de acoplamiento de radicales libres en las que no hay preferencia por ninguna de las configuraciones en un centro quiral .

Lípidos

Los lípidos (oleaginosos) son principalmente ésteres de ácidos grasos y constituyen los componentes básicos de las membranas biológicas . Otra función biológica es el almacenamiento de energía (por ejemplo, los triglicéridos ). La mayoría de los lípidos constan de una cabeza polar o hidrofílica (típicamente glicerol) y de una a tres colas de ácidos grasos no polares o hidrofóbicas , por lo que son anfifílicos . Los ácidos grasos consisten en cadenas no ramificadas de átomos de carbono unidos únicamente por enlaces simples ( ácidos grasos saturados ) o por enlaces simples y dobles ( ácidos grasos insaturados ). Las cadenas suelen tener entre 14 y 24 grupos de carbono, pero siempre es un número par.

En el caso de los lípidos presentes en las membranas biológicas, la cabeza hidrofílica pertenece a una de tres clases:

Otros lípidos incluyen las prostaglandinas y los leucotrienos , que son unidades de acilo graso de 20 carbonos sintetizadas a partir del ácido araquidónico . También se les conoce como ácidos grasos.

Aminoácidos

Los aminoácidos contienen grupos funcionales tanto de aminoácidos como de ácidos carboxílicos . (En bioquímica , el término aminoácido se utiliza para referirse a aquellos aminoácidos en los que las funcionalidades amino y carboxilato están unidas al mismo carbono, además de la prolina , que en realidad no es un aminoácido).

En ocasiones se observan aminoácidos modificados en las proteínas; esto suele ser el resultado de una modificación enzimática posterior a la traducción ( síntesis de proteínas ). Por ejemplo, la fosforilación de la serina por quinasas y la desfosforilación por fosfatasas constituyen un importante mecanismo de control en el ciclo celular . En ciertos organismos, solo se conocen dos aminoácidos, además de los veinte habituales, que se incorporan a las proteínas durante la traducción:

Además de los que se utilizan en la síntesis de proteínas , otros aminoácidos biológicamente importantes incluyen la carnitina (utilizada en el transporte de lípidos dentro de la célula), la ornitina , el GABA y la taurina .

Estructura de las proteínas

La secuencia específica de aminoácidos que componen una proteína se conoce como su estructura primaria . Esta secuencia está determinada por la constitución genética del individuo y especifica el orden de los grupos de cadenas laterales a lo largo del esqueleto polipeptídico lineal.

Las proteínas poseen dos tipos de elementos de estructura local bien clasificados y frecuentes, definidos por un patrón particular de enlaces de hidrógeno a lo largo de su cadena principal: la hélice alfa y la lámina beta . Su número y disposición conforman la estructura secundaria de la proteína. Las hélices alfa son espirales regulares estabilizadas por enlaces de hidrógeno entre el grupo CO ( carbonilo ) de la cadena principal de un residuo de aminoácido y el grupo NH ( amida ) de la cadena principal del residuo i+4. Cada vuelta de la espiral contiene aproximadamente 3,6 aminoácidos, y las cadenas laterales de los aminoácidos sobresalen del cilindro de la hélice. Las láminas beta plegadas se forman mediante enlaces de hidrógeno entre las cadenas beta individuales, cada una de las cuales se encuentra en una conformación "extendida" o completamente estirada. Las cadenas pueden ser paralelas o antiparalelas entre sí, y la dirección de las cadenas laterales se alterna por encima y por debajo de la lámina. La hemoglobina contiene únicamente hélices, la seda natural está formada por láminas beta plegadas y muchas enzimas presentan un patrón de hélices y cadenas beta alternadas. Los elementos de estructura secundaria están conectados por regiones de "bucle" o "espiral" de conformación no repetitiva, que a veces son bastante móviles o desordenadas, pero que generalmente adoptan una disposición estable y bien definida. [ 16 ]

La estructura tridimensional compacta de una proteína se denomina estructura terciaria o "plegamiento". Se forma como resultado de diversas fuerzas de atracción, como enlaces de hidrógeno , puentes disulfuro , interacciones hidrofóbicas , interacciones hidrofílicas , fuerzas de van der Waals , etc.

Cuando dos o más cadenas polipeptídicas (ya sean idénticas o de secuencia diferente) se agrupan para formar una proteína, se forma la estructura cuaternaria de la proteína. La estructura cuaternaria es una característica de las proteínas poliméricas (cadenas de la misma secuencia) o heteroméricas (cadenas de secuencia diferente), como la hemoglobina , que consta de dos cadenas polipeptídicas "alfa" y dos "beta".

Apoenzimas

Una apoenzima (o, en general, una apoproteína) es la proteína sin cofactores, sustratos o inhibidores de molécula pequeña unidos. Suele ser importante como forma inactiva de almacenamiento, transporte o secreción de una proteína. Esto es necesario, por ejemplo, para proteger la célula secretora de la actividad de dicha proteína. Las apoenzimas se convierten en enzimas activas al añadir un cofactor . Los cofactores pueden ser compuestos inorgánicos (por ejemplo, iones metálicos y cúmulos de hierro-azufre ) u orgánicos (por ejemplo, flavina y hemo ). Los cofactores orgánicos pueden ser grupos prostéticos , que se unen firmemente a una enzima, o coenzimas , que se liberan del sitio activo de la enzima durante la reacción.

isoenzimas

Las isoenzimas , o isoenzimas, son múltiples formas de una enzima, con secuencias proteicas ligeramente diferentes y funciones muy similares, aunque generalmente no idénticas. Son productos de diferentes genes o de diferentes empalmes alternativos . Pueden producirse en diferentes órganos o tipos celulares para realizar la misma función, o bien, varias isoenzimas pueden producirse en el mismo tipo celular bajo una regulación diferencial para adaptarse a las necesidades del desarrollo o del entorno. La LDH ( lactato deshidrogenasa ) tiene múltiples isoenzimas, mientras que la hemoglobina fetal es un ejemplo de una isoforma de una proteína no enzimática regulada durante el desarrollo. Los niveles relativos de isoenzimas en sangre pueden utilizarse para diagnosticar problemas en el órgano de secreción.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Bunge, M. (1979). Tratado de filosofía básica , vol. 4. Ontología II: Un mundo de sistemas, págs. 61-2. enlace .
  2. ↑ Voon, CH; Sam, ST (2019). "2.1 Biosensores". Nanobiosensores para la focalización biomolecular . Elsevier. ISBN 978-0-12-813900-4.
  3. ↑ endogenia . (2011) Diccionario médico de Segen . The Free Dictionary by Farlex. Farlex, Inc. Consultado el 27 de junio de 2019.
  4. ↑ Green, DE; Goldberger, R. (1967). Perspectivas moleculares sobre el proceso de la vida . Nueva York: Academic Press – vía Google Books .
  5. ^ Gayón, J. (1998). "La filosofía y la biología". En Mattéi, JF (ed.). Encyclopédie philosophique universelle . vol. IV, El discours philosophique. Prensas Universitarias de Francia. págs. 2152-2171 . ISBN   9782130448631– vía Google Libros.
  6. 1 2 3 4 Slabaugh, Michael R. y Seager, Spencer L. (2007). Química orgánica y bioquímica para hoy (6.ª ed.). Pacific Grove: Brooks Cole . ISBN  978-0-495-11280-8.
  7. 1 2 Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Wlater P (2002). Biología molecular de la célula (4.ª ed.). Nueva York: Garland Science . págs. 120–1 . ISBN   0-8153-3218-1.
  8. ↑ Saenger W (1984). Principios de la estructura de los ácidos nucleicos . Springer-Verlag . ISBN 0387907629.
  9. ↑ Richardson JS, Schneider B, Murray LW, Kapral GJ, Immormino RM, Headd JJ, Richardson DC, Ham D, Hershkovits E, Williams LD, Keating KS, Pyle AM, Micallef D, Westbrook J, Berman HM (2008). "RNA Backbone: Consensus all-angle conformers and modular string nomenclature" . RNA . 14 ( 3): 465–481 . doi : 10.1261/rna.657708 . PMC 2248255. PMID 18192612 .  
  10. ↑ Kruger K, Grabowski PJ, Zaug AJ, Sands J, Gottschling DE, Cech TR (1982). "ARN de autoempalme: autoescisión y autociclización de la secuencia interviniente del ARN ribosómico de Tetrahymena". Cell . 31 ( 1): 147– 157. doi : 10.1016/0092-8674(82)90414-7 . PMID 6297745. S2CID 14787080 .  
  11. 1 2 Moran, Timothy H. (junio de 2009). "Fructosa y saciedad" . The Journal of Nutrition . 139 (6): 1253S– 1256S. doi : 10.3945/jn.108.097956 . PMC 6459054. PMID 19403706 .  
  12. ↑ Pigman, W.; D. Horton (1972). Los carbohidratos . Vol. 1A. San Diego: Academic Press . pág. 3. ISBN   978-0-12-395934-8.
  13. ↑ Jin, Tan; Wang He-Fang y Yan Xiu-Ping (2009). "Discriminación de sacáridos con una matriz de sensores de impresión molecular fluorescente basada en sílice mesoporosa funcionalizada con ácido fenilborónico". Anal. Chem . 81 (13): 5273–80 . doi : 10.1021/ac900484x . PMID 19507843 . 
  14. ↑ Bo Peng y Yu Qin (2008). "Sensor óptico de membrana de polímero lipofílico con un receptor sintético para la detección de sacáridos". Anal. Chem . 80 (15): 6137–41 . doi : 10.1021/ac800946p . PMID 18593197 . 
  15. ↑ K. Freudenberg; AC Nash, eds. (1968). Constitución y Biosíntesis de Lignina . Berlín: Springer-Verlag.
  16. ↑ Richardson, JS (1981). "Anatomía y taxonomía de las proteínas" . Advances in Protein Chemistry . 34 : 167–339 . doi : 10.1016/S0065-3233(08)60520-3 . PMID 7020376. Archivado del original el 16 de marzo de 2019. Consultado el 24 de junio de 2012 . 
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