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2.2. LAS PRINCIPALES BIOMOLÉCULAS SIMPLES Y COMPUESTAS

El grupo de biomoléculas simples más importantes lo integran los lípidos, los monosacáridos, los nucleótidos y los aminoácidos. Entre los más simples son los ácidos grasos. Los monosacáridos, los aminoácidos y los nucleótidos son los precursores de las macromoléculas, es decir, de los polisacáridos, los ácidos nucleicos y las proteínas, que presentan un grado de complejidad superior y características físicas y biológicas diferentes.

LOS ÁCIDOS GRASOS

Los lípidos son las biomoléculas presentes en los tejidos biológicos que son insolubles en soluciones acuosas pero solubles en solventes orgánicos. Casi todos los lípidos contienen ácidos grasos en su estructura. La mayoría de los ácidos grasos presentes en el organismo son adquiridos por la dieta. Nuestro organismo puede sintetizar casi todos los ácidos grasos que se requiere para sus necesidades pero no es capaz de sintetizar dos de ellos que por este motivo son considerados ácidos grasos esenciales y deben ser ingeridos en la dieta de forma obligatoria. Estos ácidos grasos esenciales son el ácido linoleico y ácido linolénico. Las plantas son capaces de sintetizar estos ácidos grasos esenciales y los humanos deben obtener estos a través de la dieta, por medio de aceites o grasas de origen vegetal o de las carnes de los animales alimentados con estas plantas.

Los ácidos grasos pueden existir libres o combinados a otras biomoléculas en los organismos vivos. Los ácidos grasos libres pueden estar en todos los tejidos del organismo, solo que en muy pequeñas proporciones, pero en el plasma pueden existir cantidades mayores durante el ayuno. Por su insolubilidad en agua, como la de todos los lípidos de los que ellos son parte integrante, en la sangre se transportan unidos a una proteína denominada albúmina.

Los ácidos grasos son ácidos orgánicos monocarboxílicos que presentan dos regiones importantes en su estructura, una hidrofílica o polar y otra hidrofóbica o apolar. La región polar (constante) la constituye el grupo carboxilo presente en todos los ácidos orgánicos y la región apolar (variable) la constituye la cadena hidrocarbonada. La siguiente representación sirve para presentar un ácido graso en forma general:

R-COOH

Sin embargo, a pH fisiológico el grupo polar carboxilo se disocia en anión carboxilato y la representación general sería de la siguiente forma:

R-COO‾

Las biomoléculas que presentan al mismo tiempo una región polar y otra apolar se conocen como compuestos antipáticos. Esta propiedad es de suma importancia en los ácidos grasos y sus derivados pues determina la forma en que ellos se relacionan por medio de interacciones débiles como se verá más adelante en los lípidos que integran las membranas biológicas.

La cadena hidrocarbonada de las ácidos grasos puede ser saturada o insaturada, lo que determina la existencia de ácidos grasos saturados y ácidos grasos insaturados (Tablas 2.5 y 2.6), La mayoría de los ácidos grasos naturales tienen un número par de átomos del carbono. Los ácidos grasos saturados de menos de 8 carbonos son líquidos a temperaturas fisiológicas, mientras que los que presentan 10 o más átomos de carbono son sólidos.

Cuando se enumeran los átomos de carbono de un ácido graso se comienza por el grupo carboxilo o carboxilato. Aquellos ácidos grasos que no presentan dobles enlaces entre los átomos de carbonos son ácidos grasos saturados y los que sí presentan son ácidos grasos insaturados.

Una simbología numérica sirve para denotar algunas características de los ácidos grasos: primero se escribe el número que corresponde al total de átomos de carbonos que presenta el ácido graso. A continuación el número que corresponde al total de dobles enlaces que presenta el mismo o si no lo presenta se escribe un cero. Este segundo número es seguido por un triangulo (?) con el número o números correspondientes a los átomos del primer carbono del doble enlace. Los dobles enlaces en los ácidos grasos normalmente tienen la configuración cis.

Ejemplos:

a. ¿Qué significa 16:0?: esto indica un ácido graso de 16 átomos de carbonos sin ninguna insaturación, o sea un ácido graso de 16C.

b. ¿Qué significa 16:1?: esto indica un ácido graso de 16 átomos de carbono, con una insaturación, o lo que es lo mismo un doble enlace, entre el átomo de carbono 9 y el 10; esto corresponde a un ácido graso insaturado con un doble enlace o monoinsaturado.

c: ¿Qué significa 18:2?9,12Δ: esto hace referencia a un ácido graso de 18C, con dos dobles enlaces, el primero entre el C 9 Y el C 10, y el segundo entre el C 12 y el C 13; esto representa un ácido graso poliinsaturado.

(fig. 1)

(fig. 2)

Funciones de los ácido grasos

-Los ácidos grasos pueden ser oxidados para la obtención de energía por el organismo, principalmente en el hígado y en el músculo.

-Los ácidos grasos son componentes estructurales de los lípidos de las membranas biológicas.

-Los ácidos grasos se unen a proteínas intracelulares para aumentar la habilidad de las mismas de unirse a las membranas.

-Un tipo específico de ácido graso sirve de precursor de las prostaglandinas, sustancias con acciones muy semejantes a las hormonas.

-Los ácidos grasos esterificados con la glicerina (glicerol) forman los triacilgliceroles o triglicéridos que se depositan en el tejido adiposo como reserva de energía.

-La deficiencia de ácido linoleico provoca disminución de la visión y comportamiento alterado del aprendizaje.

-El ácido araquidónico de hace esencial si no son ingeridas las cantidades requeridas de ácido linolenico.

MONOSACÁRIDOS

Los carbohidratos son los compuestos más abundantes de la naturaleza.

Ellos pueden estar en forma de azúcares simples o de azúcares complejos. La composición elemental de los azúcares simples es de C, H y O. Los carbohidratos se dividen en tres grandes grupos: monosacáridos, oligosacáridos y polisacáridos.

Los monosacáridos son azúcares simples.

Monosacáridos simples

Los monosacáridos simples son azúcares compuestos por C, H y O. Son químicamente aldehídos o cetonas polihidroxilados. Son incoloros, sólidos y solubles en agua pero insoluble en solventes orgánicos apolares.

Variaciones estructurales de los monosacáridos simples. De las variaciones estructurales de los monosacáridos derivan sus diferentes clasificaciones. Los monosacáridos pueden clasificarse de acuerdo con el número de átomos de carbono que ellos presenten.

1. De acuerdo con el número de átomos de carbono que pueden presentar los monosacáridos.

(fig. 3)

Las siguientes estructuras presentan las triosas: el gliceraldehído y la dihidroxiacetona.

(fig. 4)

Un ejemplo de tetrosa:

(fig. 5)

Dos pentosas importantes:

(fig. 6)

Y cuatro ejemplos de hexosas de gran interés:

(fig. 7)

2. De acurdo con la posición del grupo carbonilo se pueden clasificar en ALDOSAS o CETOSAS:

(fig. 8)

El gliceraldehído y la dihidroxiacetona son los monosacáridos más simples. Ellos son isómeros por presentar la misma fórmula global: C3H6O3.En ambas estructuras está presente un grupo carbonilo (C=O) mientras el resto de los átomos de carbono presentan cada uno un grupo hidroxilo. Cuando el grupo carbonilo está en un carbono primario forma un aldehído y cuando está en un carbono secundario forma una cetona. La estructura de la izquierda representa al gliceraldehído que es una ALDOSA y la estructura de la derecha representa a la dihidroxiacetona que es una CETOSA.

3. La disposición de los grupos hidroxilos en los EPÍMEROS.

(fig. 9)

La glucosa, la manosa y la galactosa son epímeros. Obsérvese que sólo se diferencian por la posición de un grupo hidroxilo.

4. La forma de ciclación.

Los monosacáridos con 5 o más átomos de carbonos existen en solución acuosa predominantemente en forma de anillos cíclicos en equilibrio con cantidades mínimas de las formas lineales. Estas formas cíclicas son generadas por una reacción de carácter intramolecular entre un grupo alcohólico (hidroxilo) con los átomos de carbono donde se encuentra el grupo carbonilo, dando lugar a nuevas estructuras llamadas hemiacetales o hemicetales. Si el anillo tiene 5 elementos (4 carbonos y 1 de oxígeno) se denomina furanosa. Si el anillo tiene seis elementos (5 carbonos y 1 oxígeno) se llamará piranosa.

(fig. 10)

Las furanosas de la fructosa.

(fig. 11)

Las piranosas de la glucosa.

(fig. 12)

Al producirse la ciclización aparece en la estructura otro átomo de carbono anomérico, correspondiente al carbono donde se encontraba el grupo carbonilo, que ahora puede presentar al grupo hidroxilo hacia arriba o hacia abajo. Entonces aparece otra nueva fuente de variación, que se verá a continuación.

5. La posición del grupo hidroxilo del carbono anomérico.

El carbono anomérico aparece como resultado de la ciclización de los monosacáridos. En las aldosas el carbono anomérico corresponde al carbono número 1mientras que en las cetosas corresponde al carbono número 2. La posición del grupo hidroxilo de este carbono anomérico da como resultado los anómeros a o b:

(fig. 13)

La beta D glucopiranosa anosa La alfa D

(fig. 14)

Monosacáridos derivados

Existe un grupo de monosacáridos derivados de los simples, donde su composición elemental puede variar o no, pero que dejan de ser los simples aldehídos o cetonas polihidroxilados. Son considerados monosacáridos derivados: los productos de la reducción, de la oxidación o de las sustituciones de los monosacáridos simples.

Los azúcares ácidos contienen un grupo carboxilo que presenta carga negativa a pH fisiológico. Son ejemplo de este tipo de azucares ácidos el ácido D-glucónico y el ácido D-glucorónico.

Los azúcares animados y sus derivados pueden estar representados por la glucosamina y la N-acetil glucosamina.

(fig. 15)

Los amino azucares presentan un grupo amino sustituyendo uno de los grupos hidroxilos. Un ejemplo de estos es la glucosamina. El grupo amino puede acetilarse como en el caso de la N-acetil glucosamina.

(fig. 16)

El N-acetilneuraminato (el ácido N-acetilneuramínico, también llamado ácido siálico) se encuentra a menudo como un residuo terminal de las cadenas de los oligosacáridos de las glicoproteínas. El ácido siálico confiere carga negativa a las glicoproteínas debido a la ionización de su grupo carboxílico a pH fisiológico.

El enlace glucosídico

Los carbohidratos o glúcidos pueden unirse mediante el enlace glicosídico. Su denominación tiene en consideración el número del carbono de cada monosacárido implicado en el enlace, y también detalla la posición del hidroxilo del carbono anomérico, si este está involucrado en la unión. De esta forma surgen en los enlaces alfa y beta glicosídicos. El enlace polimerizante de los monosacáridos puede ser de muy diversas formas, tantas como posibilidades tienen los grupos hidroxilos que ellos presentan para formarlo. A continuación se presenta el enlace glicosídico á-1,4, que es el más abundante en la estructura del almidón y el glucógeno:

(fig. 17)

Sin embargo, en la celulosa el enlace glicosídico es del tipo á-1,4, que se representa a continuación:

(fig. 18)

En la siguiente representación aparece el enlace glicosídico?-1,6, que es el que está presente en las ramificaciones del glucógeno y de la cadena ramificada del almidón.

Funciones de los carbohidratos

Resulta importante en este aspecto destacar que los monosacáridos en sí sólo desempeñan algunas de las siguientes funciones, pero sin embargo, al polimerizarse ciertos monosacáridos simples o derivados pueden desempeñar las funciones que a continuación se relacionan:

-Fuentes de energía: formando parte de los carbohidratos en forma de polisacáridos (almidón) o disacáridos (sacarosa y lactosa) suministran la fracción más importante de energía en la dieta.

(fig. 19)

-Reserva energética: en forma de polímeros como el glucógeno.

-Componentes de las membranas celulares: en forma de oligosacáridos presentes en glicoproteínas que sirven de mediadores en algunas formas de comunicación intercelular.

-Componentes estructurales: en forma de polímeros en muchos organismos, como la celulosa en las plantas.

-Partes integrantes de compuestos de importancia biológica: en todos los organismos; los ácidos nucleicos, en coenzimas, entre otros.

-Anticoagulantes: un polímero de especial importancia es la heparina.

-Lubricantes de las articulaciones: otro polímero de monosacáridos llamado ácido hialurónico.

LOS NUCLEÓTIDOS

Toda la información necesaria para producir la réplica de un organismo reside en el material genético o genoma. El material genético de la mayoría de los organismos está compuesto por ADN; sin embargo, algunos viruses usan ARN. Las biomoléculas que se polimerizan como precursores de los ácidos nucleicos son los nucleótidos. Ellos desempeñan diversas funciones en los organismos vivos, por lo que se dice que cumplen con el principio de la Multiplicidad de Utilización.

Estructura de los nucleótidos y variaciones estructurales

Los nucleótidos presentan tres constituyentes: un monosacárido, una base nitrogenada y de uno a tres fosfatos.

· Pentosa. Los nucleótidos comunes presentan como monosacárido una pentosa que puede ser la ribosa o la desoxi-ribosa. Los grupos principales de nucleótidos que presentan en los ácidos nucleicos reflejan esta composición, y en dependencia de si la pentosa es la ribosa o la desoxi-ribosa serán ribonucleótidos o desoxiribonucleótidos respectivamente. Otro grupo muy conocido está formado por los pseudo-nucleótidos de gran uso en la práctica médica, que se estudiarán más adelante. El hecho de presentar ribosa o desoxi-ribosa constituye la primera de las variaciones estructurales que pueden presentar los nucleótidos.

Obsérvese las dos estructuras de la ribosa y la desoxiribosa que parecen a continuación. La diferencia entre una y otra radica en el átomo de carbono número dos. La ribosa presenta un grupo hidroxilo mientras que la desoxiribosa no lo tiene. La presencia o ausencia del grupo hidroxilo en dicha posición tiene importancia estructural, que se discutirá posteriormente. La pentosa es la biomolécula a la que se unen el resto de los constituyentes de los nucleótidos mediante enlaces covalentes.

(fig.20)

· Bases nitrogenadas. Las bases nitrogenadas presentes en los nucleótidos pueden ser de dos tipos: las Purinas y las Pirimidinas. Un grupo deriva del compuesto denominado purina y de ahí su nombre de bases purínicas o púricas. Las purinas aparecen frecuentemente en la mayoría de los seres vivos. Presentan dos anillos, uno de seis y otro de cinco elementos. Cada anillo en la bases purínicas tiene dos átomos de nitrógeno. En el anillo hexagonal aparece un grupo amino o un grupo cetónico, por lo que las bases purinicas se clasifican como”amínica” O”cetónica” respectivamente.

(fig. 21)

Las bases pririmidínicas tienen un anillo de seis elementos que contiene dos átomos de nitrógeno y las principales pírimidinas son la citosina, la timina y el uracilo. (fig. 22)

Al igual que en la bases purínicas, las pirimidínicas presentan en su anillo hexagonal un grupo amino o un grupo cetónico, clasificándolas como “amínicas” o “cetónicas” respectivamente. Obsérvese que el uracilo y la timina son muy similares; ellos sólo difieren por un grupo metilo.

· Grupo fosfato. El fosfato puede estar uno, dos o tres veces en la estructura de un nucleótido. Para indicar cuántos grupos fosfatos posee un nucleótido se utiliza le representación XMP que significa que tiene un fosfato, (MP= monofosfato), XDP cuando tiene dos fosfatos (DP= difosfato) o XTP cuando tiene 3 fosfatos (TP=trifosfato). La posición del grupo o grupos fosfatos en el nucleótido debe ser especificada en algunos casos.

En la figura 2.8 se muestran los tres componentes de los nucleótidos y los enlaces entre ellos, y en la tabla 2.7 los diferentes nucleótidos.

(fig. 23)

(fig. 24)

Un nucleósido se forma por la unión de una pentosa con una base nitrogenada por medio de un enlace covalente llamado enlace N-glicosídico. La tabla 2.8 muestra diferentes nucleósidos.

(fig. 25)

Un ejemplo de la estructura de un nucleósido se muestra con la adenosina:

Desoxi-Adenosina (d-Adenosina)

(fig. 26)

Enlace 3َ- 5َ fosfodiéster.

Los nucleótidos se polimerizan mediante el enlace 3َ- 5َ fosfodiéster. Este enlace fosfodiéster une el hidroxilo de la posición 3َ con el fosfato, generando un éster. A continuación se muestra una representación del mismo:

(fig. 27)

Las funciones biológicas de los nucleótidos

Los nucleótidos son los precursores de los ácidos nucleicos. La molécula de ATP (adenosina trifosfato) es un transportador de energía en las funciones celulares. Las moléculas AMPc y GMPc (el adenosín monofosfato cíclico y el guanosín monofosfato cíclico, respectivamente) también son importantes como mediadores en la comunicación celular. La Adenosina o el Adenosín monofosfato (AMP) forman parte de la estructura de algunas coenzimas (NAD*, NADP*, FAD, Coenzima A). Algunos nucleótidos actúan como efectores alostéricos.

En la medicina clínica se usan derivados sintéticos de los nucleótidos en el tratamiento de la gota, las infecciones virales, como el Síndrome de Inmunodeficiencia Adquirida (SIDA), una enfermedad causada por el virus de la Inmunodeficiencia Humana (VIH) (Figura 2.9); también son utilizados para prevenir el rechazo de trasplantes de órganos y en la quimioterapia. Estos análogos sintéticos pueden interferir con el crecimiento y división celular.

(fig. 28)