domingo, 4 de septiembre de 2016

2 LOS BIOCOMPUESTOS

Toda reacción química está constituida por sustancias químicas de entrada a las que llamamos reactivos y sustancias de salida a las que llamamos productos. Los cursos de química básica dedican un buen tiempo  a definir la naturaleza de diferentes sustancias químicas y luego realizan la introducción del concepto de reacción química (Chang, 2006; Matamála, M., & Gonzalez, 1976; Timberlake, 2015). Por tal razón en el presente capitulo expondremos las características más importante de los así denominados biocompuestos, que son las sustancias fundamentales sobre las cuales se construye y funciona un ser vivo.

La mayoría de las estructuras de las que están hechos los animales, las plantas y los microorganismos están hechos de cuatro moléculas básicas denominadas: aminoácidos, carbohidratos, nucleótidos y lípidos –también llamados grasas (Karp, 2013; Sadava et al., 2014; Solomons, Fryhle, & Snyder, 2014). Dado que estas moléculas son fundamentales para la vida, las rutas metabólicas se enfocan en las transformaciones que estas sufren para un propósito determinado en el interior de la célula. Los biocompuestos pueden sufrir varios destinos:

1- Ser degradados: en este sentido ser convertidos a moléculas de bajo peso molecular y menor nivel energético como el dióxido de carbono, el monóxido de carbono, el amoníaco y el agua.
2- Se ensamblados con si mismos: en este sentido se forman polímeros homogéneos, así los aminoácidos se convierten en péptidos o proteínas, los carbohidratos en polisacáridos, los nucleótidos en ácidos nucleicos largos y los lípidos simplemente se hacen más largos.
3- Combinados: en este sentido un polímero como una proteína puede unirse a un polímero diferente como un polisacárido creando una nueva entidad denominada glicoproteína. Existen otras combinaciones como glicolípidos o lipoproteínas, además de que pueden combinarse con otras sustancias químicas como coenzimas o metales.
4- Transformados: por medio de enzimas y un flujo de energía un tipo de biomolécula se transforma en otras, por ejemplo transformar carbohidratos en lípidos.

A continuación describiremos brevemente los biocompuestos básicos y los biocompuestos accesorios.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk, Audesirk, & Byers, 2010; Berg, Tymoczko, & Stryer, 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry, Castellion, & Ballantine, 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.1 Aminoácidos

Los aminoácidos son la base para la creación de las proteínas. Las proteínas son largas cadenas lineales de aminoácidos unidos por medio del enlace peptídico. Las proteínas cumplen una infinidad de roles debido a que las interacciones débiles de un aminoácido con sus vecinos provocan u plegamiento de la cadena y la conformación de estructuras tridimensionales dinámicas que son capaces de realizar funciones mecánicas, químicas o ambas.

Las principales proteínas con funciones químicas se denominan enzimas, las cuales son las que regulan el metabolismo en sí. Otras proteínas poseen funciones mecánicas y/o estructurales como las proteínas retractiles del citoesqueleto celular (micrografía de la izquierda). Las proteínas también son importantes en la señalización celular, aspecto importante para las funciones inmune, de adhesión y transporte de sustancias a través de membranas.

En caso de necesidad, los aminoácidos pueden ser degradados a amoníaco, agua y dióxido de carbono para producir energía celular, impulsando el siclo de Krebs, el cual es una de las rutas metabólicas más importantes. Sin embargo el uso de los aminoácidos como fuente de energía es raro, y la célula generalmente emplea carbohidratos o lípidos para esa función.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.1.1 Características de los aminoácidos

Todos os aminoácidos poseen un grupo carboxilo que les da sus propiedades ácidas y un grupo amino. Los grupos carboxilos en solución acuosa al ser ácidos liberan un protón y tienden a hacerse negativos, mientras que los grupos amino captura el protón y tienden a hacerse positivos, esto le otorga a los aminoácidos y a las proteínas cargas electrostáticas que son importantes para sus propiedades químicas.

Al igual que los carbohidratos, los aminoácidos posee carbonos quirales, lo que conlleva a la formación de esteroisómeros, y al igual que con los carbohidratos, los seres vivos tienden a usar preferentemente aminoácidos de una sola de las configuraciones ópticas “derecha o izquierda”, aunque algunas estructuras emplean mezclas racémicas “en las cuales se mezclan los dos isómeros ópticos”. La configuración óptica de la mayoría de los aminoácidos en los seres vivos es levógira, o de giro izquierdo.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.1.1.1 El enlace peptídico

Los aminoácidos se unen unos con otros por medio den enlace peptídico que resulta de la unión entre un grupo carboxilo cargado negativamente con un grupo amino cargado positivamente de un aminoácido vecino. El proceso elimina una molécula de agua. 

Una cadena peptídica por lo tanto posee un esqueleto de carbonos y nitrógenos, con grupos específicos (R) laterales que otorgan propiedades concretas.

Una cadena polipeptídica consta de unos 450 aminoácidos. El polipéptido más largo encontrado en la proteína titina contiene más de 30.000 aminoácidos. Una vez incorporados en una cadena polipeptídica los aminoácidos se denominan residuos. Dos residuos son importantes, el que expone el grupo amino que se denomina terminal en N o N terminal, mientras que su opuesto se denomina C terminal y es quien expone el grupo carboxilo cargado negativamente.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.1.1.2 Residuos

Los residuos de una proteína no se limitan a los 20 aminoácidos posibles, pues pueden existir adiciones de otros tipos de sustancias como carbohidratos para producir glicoproteínas, grupos orgánicos para producir flavoproteínas y grupos metálicos para producir metal-proteínas. Las metal-proteínas son bastante relevantes ya que sin fundamentales en procesos básicos del metabolismo que una proteína en si no puede hacer, siendo esta un marco para un mejor funcionamiento del metal.

Las propiedades químicas de los 20 residuos y otras sustancias es lo que le da a las proteínas la enorme versatilidad bioquímica. Al gunas cadenas pueden tener cargas electrostáticas netas, siendo hidrofilias y por ende solubles en agua, mientras que otras cadenas pueden tener una carga neta de cero, y por ende ser hidrófóbicas, siendo solubles en grasas y aceites.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.1.2 Proteínas

Las proteínas son macromoléculas que pueden llevar a cabo virtualmente todas las actividades de la célula, excepto por aquellas relacionadas con el almacenamiento basal de la información genética. Las proteínas pueden entenderse parcialmente con la analogía de herramientas o máquinas que hacen que las cosas sucedan. Como enzimas, las proteínas son capaces de acelerar tremendamente la tasa de las reacciones metabólicas; como unidades estructurales, las proteínas pueden conformar esqueletos flexibles y móviles, tanto al interior de las células como en sus perímetros circundantes.

Estructuras como el cabello o las plumas se encuentran hechas de proteínas, que les  otorgan no solo su estructura básica, sino también sus colores representativos. Como hormonas y factores de crecimiento, las proteínas transmiten órdenes por el cuerpo permitiendo que este pueda organizarse de manera coordinada para relacionarse con el medioambiente del individuo. Algunas proteínas pueden incluso unirse a fragmentos del ADN impidiendo al activación de los genes y por lo tanto regulando la expresividad del genoma a un nivel epigenético.

Como receptores de membrana las proteínas median la interacción de la célula con el medioambiente, sirviendo como activadores o como puertas de ingreso a diversas sustancias, siendo las principales responsables del transporte pasivo y del transporte activo a través de la membrana de la célula y de los organelos.. Las proteínas pueden funcionar como factores del sistema inmune alertando a las células para que devoren a los invasores, como venenos o toxinas para atacar a los depredadores, a las presas o a los competidores, y como factores reguladores de la homeostasis, como por ejemplo impidiendo que se pierda sangre ante un corte como factores de coagulación.

¿Como es que un tipo de moléculas puede tener tantas funciones diferentes? La explicación reside en que las proteínas pueden asumir virtualmente cualquier forma, de hecho eso es lo que significa su nombre, pero no son formas rígidas, la estructura de las proteínas es flexible e incluso mecánica, lo cual les permite formar entramados que son describibles en términos de máquinas moleculares con propiedades químicas.

Aunque como tipo, la forma de las proteínas es casi que infinita, como moléculas individuales, la estructura de una proteína es específica, y solo lo comparte con aquellas proteínas de una misma familia que comparten un pasado evolutivo común. Adicionalmente las reacciones o movimientos que hacen las proteínas no son absolutamente específicos, pues no funcionan como un código, por ejemplo las enzimas catalizaran reacciones químicas semejantes para reactivos semejantes, por medio de la selección natural se puede restringir el número de reacciones semejantes catalizadas, pero generalmente siempre hay un grupo de reactivos posibles  para una enzima por muy específica que esta pueda ser.

Tomando en cuenta que las reacciones cruzadas son pocas con respecto a todas las reacciones químicas que ocurren naturalmente sin las enzimas, estas exhiben una gran especificidad. Por ejemplo, una enzima que corta el ADN puede detectar secuencias de hasta 8 nucleótidos, ignorando a unas 65.535 combinaciones posibles.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.1.3 Estructura de las proteínas

La función de una proteína depende de su forma, no de su código, y aunque el código determina la forma de la proteína, puede darse casos en que diferentes códigos generan la misma estructura. En cualquier caso si hablamos en términos básicos podemos decir simplemente que la proteína funciona en la medida que su forma le permite ejecutar dicha función, de forma tal que las proteínas son el mejor ejemplo de la relación forma-función que existe en la biología.

Clásicamente la forma de la proteína se ha estudiado bajo los conceptos de niveles estructurales llamados primario, secundario, terciario y cuaternario, aunque algunos biólogos insisten en la existencia de un nivel 2,5 para explicar algunos problemas o fenómenos evolutivos de las proteínas que son bastante relevantes.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.1.3.1 Estructura primaria

La estructura primaria de una proteína es su secuencia lineal de residuos, cada posición puede reemplazarse por 20 residuos diferentes, lo cual otorga gran variabilidad a una secuencia que puede superar los 100 residuos diferentes. 

La información para la organización precisa de los residuos depende de la estructura del ARN mensajero, y a su vez esta depende de la estructura del ADN. En consecuencia estamos hablando de una transferencia estructural de una molécula a otra, fenómeno que los humanos generalmente consideramos bajo la analogía de la información genética.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.1.3.2 Estructura secundaria

Toda materia existe en el espacio y en consecuencia posee una estructura tridimensional, para el caso de las proteínas esto implica que las interacciones débiles y fuertes de los residuos provoca el plegamiento de la secuencia en una maraña compleja pero organizada. 

No todos los residuos poseen la misma importancia en este plegamiento, por lo que existirán unas posiciones principales que aseguran el plegamiento normal y unas posiciones secundarias que pueden experimentar cierto grado de variabilidad sin que la forma general cambie radicalmente. A pesar de que el plegamiento es complejo, no es caótico, generando dos tipos de estructuras denominadas hélices alfa y láminas beta.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.1.3.3 Estructura intermedia o módulos

Los módulos son sumas de varias hélices y láminas que permiten la realización de una sola función bioquímica, pero que fuera de un contexto más general no son específicos, y se los puede asimilar con los dominios activos, aunque hay módulos netamente estructurales. Por ejemplo, los dominios proteasa de serina que cortan posiciones específicas de algunos péptidos pueden encontrarse en diferentes proteínas de diferentes contextos. Los módulos son una unidad evolutiva de las proteínas que permite entender la evolución de estas, pues muchas proteínas aparentemente nuevas parecen ser solo la recombinación de dos o más módulos de diferentes proteínas antiguas más otras secuencias nuevas. Por lo general el nivel de complejidad del módulo no es analizado por la mayoría de los libros de texto (Bornberg-Bauer & Alba, 2013; Broom et al., 2012; van Dam et al., 2013).

Bueno ¿y cómo aparece una proteína multimodular en primera instancia?, bueno esto no ocurre en las mutaciones de genoma completo, pero lo explicaremos aquí de todas formas. Por lo general los genes están flanqueados por secuencias regulatorias y un iniciador de la secuencia así como un finalizador, el cual le dice a las enzimas especializadas –inicie a leer aquí y termine de leer aquí. Si una mutación corte de forma tal que el segmento duplicado queda en tándem con respecto al viejo borrando la sección de terminación, la enzima leerá las dos secciones generando un único mensajero.

Este mensajero único al ser leído por el ribosoma creará una proteína el doble de grande con dos dominios exactamente iguales.  Una vez que los dos módulos quedan conectados en un solo producto génico, uno de ellos puede acumular SNP sin riesgo de selección negativa para su portador. Con el tiempo uno de los módulos puede evolucionar a la perdida de la función, con lo que se convertiste en un elemento estructural de la proteína o a una nueva función, generando una proteína con múltiples dominios funcionales.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.1.3.4 Estructura terciaria

La estructura terciara habla de la conformación de una sola proteína funcional, la cual está compuesta por varios dominios, más una estructura que los une a todos. La estructura terciara de las proteínas generalmente es determinada empleando la técnica de la cristalografía de rayos X. Sin embargo dicha técnica conllevó a que por muchas años se concibiera a la estructura terciara de la proteína como una entidad fija, sin embargo muchas proteínas poseen una estructura variable, la analogía más cercana a este dinamismo es la de una estructura palpitante que cambia de forma rítmicamente de forma muy compleja.

Las regiones palpitantes o desordenadas juegan roles importantes en los procesos vitales de las células, uniéndose al ADN y a otras proteínas. Estas partes funcionas como articulaciones que cambian el plegamiento de la proteína una vez que algún dominio se ha unido a un sustrato específico. Muchas proteínas se distinguen en el modo en que su estructura final les da una forma alargada o una forma compacta, las alargadas se denominan fibrosas y las compactas se llaman globulares.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.1.3.5 Estructura cuaternaria

Al igual que varios dominios se unen para formar una proteína, varias proteínas pueden unirse para formar entidades macromoleculares más complejas, conocidas como proteínas cuaternarias. En este sentido, cada una de las proteínas terciarias originales se conocen como subunidades, y cada una de estas subunidades puede contener dos o más dominios, semejantes o diferentes a los de las demás subunidades. Si están compuestas por el mismo tipo de subunidad se llaman homomeros y si están compuestos por diferentes tipos de subunidad se llaman heterómeros. Se emplean prefijos di, tri, tetra, entre otros para distinguir si hay dos, tres, cuatro o más subunidades. De esta forma una proteica cuaternaria conformada por dos subunidades iguales se llama homodímero.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)


2.1.3.6 Complejos multiproteicos

Los niveles de complejidad de las proteínas son diversos, de esta forma podemos tener que varias proteínas de nivel cuaternario se unan para conformar un complejo multiprotéico. Un ejemplo de un complejo multiprotéico es la priruvato deshidrogenasa encontrada originalmente en Escherichia coli, el cual consiste en tres proteínas cuaternarias. 

Las tres enzimas conectan una compleja serie de reacciones que deben ejecutarse rápido tanto en el tiempo como en el espacio de dos rutas metabólicas diferentes. Debido a que los dominios activos se encuentran físicamente juntos, los productos de un dominio pueden transferirse rápidamente como reactivos de otro dominio, haciendo que la cadena de reacciones de una ruta metabólica se ejecute rápidamente. Los complejos multiprotéicos no son necesariamente estructuras estables, y por lo general se unen en un estado palpitante o desordenado de unión y separación rítmicas.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.2 Lípidos

Los lípidos son un grupo diverso de moléculas apolares, con propiedades comunes, pero con estructuras químicas bastante diversas. Los lípidos no pueden disolverse en el agua, pero si en disolventes apolares como el cloroformo o el benceno. Los lípidos pueden atravesar fácilmente las membranas celulares ya que estas también están compuestas por cadenas de lípidos apolares. Los principales grupos de lípidos en los sistemas biológicos son las grasas, los esteroides y los fosfolípidos.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.2.1 Grasa

La grasa es un nombre poco indicativo de la naturaleza química de los ácidos grasos. Los ácidos grasos se forman de la unión de un alcohol de tres carbonos con tres grupos hidroxilo, cada grupo hidroxilo puede perder un hidrógeno para unirse a un ácido carboxílico de longitud variable. En consecuencia cada glicerol puede aceptar tres ácidos carboxílicos, de allí que la molécula resultante típicamente posea una cabeza de la cual se proyectan tres cadenas de carbonos alifáticos apolares, muy poco solubles y de alto peso molecular.

El enlace entre el glicerol y el ácido carboxílico da lugar a un enlace ester con los oxígenos concentrados en una punta, esto hace que el ácido graso si pueda disolverse en el agua por la punta única o “cabeza”, pero también es repelido por el agua por sus tres colas. De esta manera los ácidos grasos son moléculas anfipáticas, es decir que poseen la dos características, poderse unir con el agua por un lado y ser repelidos por el agua del otro lado.

Si la cadena de carbonos de cada cola es recta, se clasifica al ácido graso como saturado, pues cada carbono está portando la cantidad máxima de hidrógenos posible, pero si algún carbono posee un enlace doble o triple con otros carbonos, no está transportando la cantidad máxima de hidrógenos, por lo que se dice que es un carbono no saturado de hidrógenos, o simplemente que está insaturado. El carbono insaturado hace que la cola de un leve giro quedando torcida.

A mayor cantidad de instauraciones, menor es la cantidad de moléculas del ácido graso que pueden almacenarse en un mismo volumen, y también disminuyen propiedades como el punto de fusión. Los animales generalmente fabricamos ácidos grasos saturados, mientras que las plantas producen principalmente ácidos grasos insaturados, que incluso pueden ser líquidos a temperatura ambiente y reciben el nombre de aceites.

Los ácidos grasos son ricos en energía, un gramo de grasa contiene casi el doble que un gramo de carbohidratos, además su degradación en el cuerpo humano generalmente se da por la ruta de la beta-oxidación que puede producir más de 3 veces la cantidad de energía que una molécula de ATP dependiendo de la longitud de la cola. Entre más larga es la cola de un ácido graso, más energía contiene.

Metabólicamente, los animales emplean los carbohidratos para alimentar las marchas de corto plazo y alta potencia, mientras que emplean la grasa para las marchas de muy largo plazo y que son de resistencia. Por lo general, cuando el ácido graso se alarga, se hace más insoluble, por lo que forman coágulos de grasa, por lo que las células tienden a almacenarlos en organelos especializados denominados adipocitos. La grasa al contener mucha energía por unidad de volumen, permite almacenar mucha energía en poco espacio para usar en caso de emergencia.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.2.2 Esteroides

Los esteroides se construyen a partir de un esqueleto característico de cuatro anillos de carbonos. Uno de los esteroides más importantes es el colesterol, un componente importante de las membranas celulares, y la base para modificar y producir una amplia gama de hormonas esteroides como la testosterona, la progesterona y el estradiol.

El colesterol se encuentra prácticamente ausente en el tejido vegetal, por lo que los aceites vegetales por definición se consideran como libres de colesterol, sin embargo, las plantas poseen sustancias relacionadas.

2.2.3 Fosfolípidos

Los fosfolípidos se sintetizan por reemplazo y trasferencia de un grupo fosfato, en este caso un ácido graso pierde una de sus tres colas de ácido carboxílico y esta es reemplazada por un grupo fosfato, de forma tal que la nueva molécula tiene solo dos colas de ácido carboxílicos muy apolares, y una cabeza compuesta por los exógenos de los grupos éster, y de los oxígenos del grupo fosfato. Esta cabeza con tantos oxígenos es fuertemente polar y en consecuencia muy soluble en agua, lo cual hace que los fosfolípidos puedan disolverse en agua más fácilmente que un ácido graso común.

Los fosfolípidos en agua tiende a agruparse en esferas muy organizadas llamadas micelas, en las cuales las colas quedan hacia el interior excluidas por el agua, mientras que las cabezas polares quedan expuestas hacia el exterior, permitiendo que la burbuja de agua pueda disolverse. Los fosfolípidos son el componente primario de las membranas celulares. De hecho algunas propiedades de la membrana celular depende de si las colas de fosfolípidos se encuentran saturadas o insaturadas.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.3 Carbohidratos

Seamos sinceros, los carbohidratos por lo general son vistos como algo ciertamente aburrido cuando estudias por primeras vez bioquímica o biología celular. Esto no es solo la impresión de un mero estudiante, por años el estudio de los carbohidratos fue el tema menos emocionante de la bioquímica. Aunque los carbohidratos eran reconocidos como elementos importantes a nivel estructural, se los consideraba elementos periféricos de importancia secundaria al interior de la célula, “aun cuando el esqueleto de los ácidos nucleicos es fundamentalmente un carbohidrato”.

En esencia eran considerados o vigas de unión, o combustible instantáneo para una pieza magnifica de alguna estructura bioquímica. Hemos aprendido que, las células se encuentran recubiertas por una densa cota de carbohidratos complejos. Las proteínas segregadas poseen un decorado extenso de carbohidratos que afectan y de hecho son esenciales para llevar a cabo sus funciones.

La matriz extracelular de los eucariotas multicelulares es rica en carbohidratos disueltos, segregados por los tejidos o por los sistemas de transporte de sustancias, siendo vitales para la comunicación entre las células o para la supervivencia de las mismas. Los carbohidratos son cruciales para el desarrollo de las funciones de todos los seres vivos, no solo como fuentes de energía, sino como moléculas estructurales, e incluso como elementos estructurales que contienen información biológica.

Siendo que la función de una proteína depende de su forma, y que los carbohidratos al estar en la parte externa de la proteína alteran su forma, sirven como marcadores para la identificación molecular. De hecho los tipos de sangre, como el sistema AB0 dependen del reconocimiento de algunos carbohidratos específicos en las proteínas de membrana. Muchos patógenos utilizan el reconocimiento de algunos carbohidratos como puertas de entrada a las células.

Por lo tanto, más que meros componentes estructurales secundarios, los carbohidratos proveen detalles vitales y una ampliación de la versatilidad morfológica a las proteínas.

La cualidad más importante que le permite a estas moléculas tener una variedad de funciones es la variedad estructural que pueden poseer. Este impacto en la función proteínica implica un almacenamiento de información, el cual puede variar con el tiempo, lo cual ha abierto el campo de estudio llamado glicómica. ¿Cómo se almacena la información hereditaria de un carbohidrato? ¿Es genética o epigenética?, estas y otras preguntas serán asumidas en el presente capítulo.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.3.1 Generalidades de la clasificación de los carbohidratos

Los carbohidratos se definen primariamente como polihidroxi aldehídos o cetonas; o sustancias que al hidrolizarse forman polihidroxi aldehídos o cetonas. Un detalle importante, es que muchos carbohidratos se presentan generalmente en forma cíclica como hemiacetales.

Generalmente los carbohidratos se clasifican por su posible hidroxilación a formas más simples. En ese orden de ideas serán monosacáridos aquellos que no pueden ser hidrolizados, serán disacáridos aquellos que al hidrolizarse generan dos monosacáridos y así sucesivamente.

Oligosacáridos son aquellas cadenas de entre 10-20 monosacáridos y polisacáridos, aquellos que contienen una larga cadena de monosacáridos. Sin embargo, nos enfocaremos específicamente en algunos aspectos de la química de los monosacáridos, dado que, muchos azucares de importancia estructural y biológica son monosacáridos, tales como la ribosa o la desoxirribosa.

2.3.2 Los monosacáridos

Cada molécula de azúcar consiste en un esqueleto de átomos unidos en una forma linear por enlaces simples. Cada átomo en la línea se une a un grupo hidroxilo, excepto por uno de porta un grupo carbonilo. Si el grupo carbonilo se localiza internamente el azúcar se clasifica como una cetosa, pero si el grupo es terminal entonces el azúcar se clasifica como una aldosa.

Debido al gran número de grupos hidroxilo, los azúcares son muy solubles en agua a pesar de su alto peso molecular. A pesar de la representación lineal, las moléculas de los azúcares tienen la tendencia a realizar una autoreacción espontánea para enroscarse en sí mismos, la configuración en anillo o hemiacetal.

Los azúcares presentan un alto nivel de isómeros debido a que muchos de sus carbonos son quirales, aunque los seres vivos son notorios por emplear carbohidratos de un isomerismo definido.

Los monosacáridos son una de las principales fuentes de energía metabólica, y en este sentido son preferiblemente conducidos por las rutas anaeróbicas fermentativas para producir ATP rápidamente, solo cuando estos se acaban las células activan otras rutas metabólicas, lo cual aplica tanto para las bacterias como para el ser humano. Cuando los monosacáridos no están siendo empleados como una fuente de energía, estos son acoplados en otras moléculas, ya sea del mismo biotipo molecular como los polisacáridos o de diferente biotipo como los lípidos para almacenar espacio celular e impedir que estos se acumulen paralizando las rutas metabólicas por el efecto le Chatelier.

El monosacárido más famoso de todos es la glucosa, y de hecho es la base sobre la cual se expresan los metabolismos de enseñanza escolar como la glucólisis.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)


2.3.3 Disacáridos

Los azúcares se unen entre sí por el enlace glicosídico, que no es otra cosa que un grupo éter conectando dos carbonos de anillos independientes. Dos carbohidratos unidos reciben el nombre de disacáridos, ejemplos de estos son la sucrosa y la lactosa. Los disacáridos sirven principalmente como almacenamiento de energía extra, de esta forma la célula puede almacenar energía en forma del disacárido y de los monosacáridos de forma independiente. Debido a que los dos azúcares monosacáridos pueden ser de un tipo diferente, las combinaciones posibles son muy diversas, lo cual le da a la célula gran flexibilidad, aunque los dos polisacáridos más comunes son por mucho la sucrosa o azúcar de mesa y la lactosa, principal componente de la leche entera.

La lactosa es un caso interesante ya que su enlace glicosídico es de difícil metabolización por los adultos humanos, por lo que tienen a no metabolizarse y a ser por lo tanto absorbida por las bacterias del intestino causando problemas intestinales, la solución es realizar un corte previo de la lactosa formando la leche deslactosada, en este nueva mezcla el azúcar que da sabor ya no es la lactosa sino la glucosa y la galactosa, las cuales son un poco más dulces que la lactosa.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.3.4 Oligosacáridos

Los azúcares pueden extender el enlace glicosídico indefinidamente, primero para generar cadenas cortas conocidas como ologosacáridos. Los oligosacáridos poseen funciones estructurales, siendo adicionados a proteínas o lípidos, transformándolos en glicoproteínas o glicolípidos. Los oligosacáridos son particularmente importantes en el reconocimiento celular por acción de ligando-receptor.

Esto se debe a que los oligosacáridos pueden actuar como un código de barras debido a que son cadenas lineales o ramificadas compuestas por combinaciones diversas de diferentes monosacáridos. Una proteína receptora puede reconocer fácilmente una cadena de oligosacáridos concreta excluyendo a muchas otras. Aunque el reconocimiento por oligosacáridos es omnipresente, tal vez su ejemplo más famoso es en el sistema sanguíneo humano ABO.

En el modelo anterior podemos ver que los tipos de sangre del sistema ABO están determinados por la presencia, ausencia y distribución de cuatro monosacáridos unidos entre sí para formar un oligosacárido de cinco anillos.

2.3.5 Polisacáridos

Para mediados del siglo XIX los médicos conocían que muchas personas con diabetes tenían un sabor dulce debido a sus elevados niveles de glucosa. Claude Bernard, un famoso fisiólogo francés estaba buscando la clave de dicha enfermedad en el azúcar, tratando de resolver un misterio. Originalmente se pensaba que el azúcar glucosa de la sangre debía provenir de la ingesta, pero después de experimentos con perros en los que no se les administraba glucosa, se dieron cuenta de que el cuerpo aun podía producirla.

Esto implicaba que otros nutrientes como las grasas y proteínas eran transformados químicamente para formar glucógeno, un polímero de la glucosa, y probablemente el lugar de dicha conversión era el hígado. En el hígado en glucógeno podía ser convertido a glucosa, o al glucosa a glucógeno dependiendo de las necesidades metabólicas en el torrente sanguíneo.

El glucógeno es por lo tanto uno de los primeros polisacáridos de importancia médica, pero no es ni el único, y tampoco el más común.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.3.5.1 Glicógeno

El glicógeno es un polímero ramificado compuesto exclusivamente por unidades de glucosa.

El glicógeno sirve como una molécula de respaldo para almacenar glucosa y evitar inconvenientes con el equilibrio´ químico por saturación de glucosa, en otras palabras, la célula no puede almacenar mucho de una molécula reactiva sin que esta empiece a generar problemas por el principio de Le Chatelier, por lo que debe buscar diversificar las moléculas de almacenamiento o encontrar una molécula no reactiva. Al almacenar glucosa, el glicógeno es un sistema de almacenamiento para la energía a corto plazo, suministrando energía de forma casi inmediata.

El glicógeno puede ser entendido como un cambio de marcha junto con otras fuentes de energía, típicamente con el ejercicio moderado el cuerpo inicia la marcha consumiendo ATP, luego pasa a la segunda marcha consumiendo creatinina, luego pasa a la tercera marca consumiendo la glucosa disponible, luego pasa a la cuarta marcha consumiendo glicógeno y finalmente pasa a la quinta marcha consumiendo grasa. Típicamente la cantidad de glicógeno en el musculo esquelético alcance para unos 15 a 30 minutos de ejercicio moderado antes de que el cuerpo inicie el consumo de grasa.

Cuando el glicógeno se almacena densamente en una célula aparece de un color oscuro, como gránulos irregulares en las microfotografías del microscopio electrónico (imagen anterior, flecha azul).

2.3.5.2 Almidón

Muchas plantas almacenan reversiblemente su exceso de energía en forma de almidón, el cual, al igual que el glicógeno está compuesto únicamente por unidades de glucosa. La papas y cereales, por ejemplo, consisten principalmente en almidón. Químicamente el almidón es una mezcla de dos polímeros diferentes, la amilosa y la amilopectina. La amilosa es una molécula en forma de hélice sin ramificaciones, mientras que la amilopectina es ramificada en un patrón irregular.

El almidón se almacena densamente en gránulos, los cuales se almacenan en organelos vegetales especializados denominados plastidos. Los animales no almacenan el almidón, pero si pueden degradarlo a través de la enzima amilasa para descomponerlo en sus unidades de glucosa y luego recomponerlas en glicógeno.


Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)


2.3.5.3 Celulosa

Los polisacáridos que vimos anteriormente tienen una función energética clara, pero los polisacáridos pueden emplearse para más que un almacenamiento de energía. El algodón y el lino, por ejemplo, consisten principalmente de la celulosa, el principal componente de la pared celular vegetal.

La gran durabilidad del algodón se debe a que las moléculas de celulosa son extremadamente estables, aun para los parámetros ecológicos en los que siempre evoluciona algo para atacar las defensas de alguien más. La celulosa posee una estructura muy organizada y bastante fuerte que la ayuda a soportar fuerzas de tensión y compresión. Al igual que el glicógeno y el almidón, la celulosa está hecha únicamente de glucosa.

Ningún animal es capaz de digerir directamente la glucosa, que en ocasiones también es denominada simplemente como la dura fibra vegetal. Para poder digerir la celulosa y tener acceso a la rica fuente de glucosa que es ella, los animales deben hacer simbiosis con bacterias fermentadoras que si tienen las enzimas necesarias para descomponer la glucosa, difiriendo en dos adaptaciones, los rumiantes o fermentadores pre-estomacales, ty los fermentadores post-estomacales.

Los fermentadores post-estomacales emplean un intestino alargado con grandes ciegos cecales, también llamados apéndices funcionales, para almacenar las bacterias simbióticas que fermentan la celulosa. Los humanos descendemos de fermentadores post-estomacales con un viraje a una dieta más carnívora, por lo que tenemos una relación de amor y odio con la celulosa. Por un lado, nuestro patético apéndice es tan pequeño que no puede hacer el procesado de la fibra vegetal a glucosa por fermentación, pero por otra parte la fibra parece activar el intestino para que este se mueva adecuadamente y así evitar algunas dolencias gastrointestinales como el estreñimiento, las hemorroides y las fisuras anales.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.3.5.4 Quitina

La quitina es un polisacárido cuya unidades no es la glucosa, la quitina es una molécula no ramificada compuesta por N-acetilglucosamina, la cual es estructuralmente similar a la glucosa, pero posee una sustitución de un hidroxilo por un grupo aminoacetil en el carbono dos del anillo hemiacetal. La quitina es importante como material estructural de los invertebrados, particularmente en los artrópodos, pues constituye la estructura fundamental de sus armaduras corporales.

La quitina es dura, resiliente, resistente a las fracturas, muy similar a muchos plásticos, pero con la ventaja evidente de ser biodegradable- Los artrópodos le deben su enorme éxito evolutivo a las armaduras de quitina, que no solo los protegen, sino que en sus apéndices modificados se convierten en herramientas muy adaptables para diferentes estilos de vida.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.3.5.5 Heparina y otros polisacáridos

La heparina es un polisacáridos que no tiene función ni estructural ni energética, los pulmones de los vertebrados la sintetizan para evitar la coagulación de la sangre en los capilares o alveolos cuando se da un trauma pulmonar, este coagulante permite que el flujo de sangre continúe y de este modo también lo haga el intercambio de gases.

Existen muchos otros polisacáridos complejos, muchos de ellos hacen parte de las paredes celulares de bacterias y hongos debido a su dificultad para ser biodegradados, y al hecho de que forman estructuras resistentes pero flexibles, con propiedades semejantes a los plásticos fabricados por el ingenio humano.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.4 Ácidos nucleicos

Los dos ácidos nucleicos naturales conocidos como ADN y ARN son polímeros de nucleótidos unidos por grupos fosfato que les otorgan sus propiedades ácidoas. Los ácidos nucleicos poseen una función de almacenamiento de la información genética, la cual es básicamente la estructura de las proteínas, así como el modo en que las proteínas pueden interactuar con los ácidos nucleicos para realizar funciones complejas de regulación o de producción de proteínas. Metabólicamente hablando el ARN puede plegarse tridimensionalmente para realizar funciones biológicas, algo semejante a lo que hacen las proteínas y en consecuencia se les adjudica el nombre de ribozimas.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.5 Coenzimas

El metabolismo involucra un vasto cumulo de reacciones químicas, y muchas de estas reacciones se conocen como transferencia de grupos químicos, por ejemplo el grupo fosfato. Los grupos químicos son conglomerados fijos de átomos con un tamaño molecular pequeño en comparación a una proteína. Estos grupos de transferencia se denominan coenzimas. Una de las coenzimas más importantes es el trifosfato de adenosina o ATP, la cual es la unidad básica de transferencia energética de todos los seres vivos. Este nucleótido puede transferir o transportar tres grupos fosfato.

Las vitaminas también son coenzimas, en este caso son sustancias que transportan los grupos químicos desde el exterior, esto sucede en caso de que la propia célula sea incapaz de fabricar la coenzima específica. A medida que trabajemos los diferentes metabolismos varias coenzimas empezaran a hacerse notar uniendo los procesos anabólicos y catabólicos como el NAD, el NADP, el FAD el ATP, entre otros.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

2.6 Minerales y cofactores

Las sustancias conocidas como inorgánicas juegan un rol vital en los organismos, si ya se que parece fuera de lugar, sin embargo la palabra inorgánico es solo una herencia de la tradición del vitalismo que separaba la química de la vida de la química no viva. Con el paso de los años nos hemos percatado que tal distinción es artificial, pero las palabras tienen poder en sí mismas.

Las sustancias inorgánicas son parte de las orgánicas o permiten su funcionamiento, por lo que su acción en los metabolismos es crucial, como es el caso de los iones sodio(1+) potasio (1+), cloro (1-) o protio(1+). Muchos de estos iones actúan como electrolitos que alteran la presión osmótica de la membrana, valor importante en operaciones metabólicas como la síntesis de ATP al final de la respiración celular aeróbica.

Los metales pesados se emplean como elementos traza, aunque tal expresión es engañosa, ya que su baja cantidad lleva a pensar que son poco importantes, cuando es todo lo contrario. Varias enzimas vitales son marcos para el funcionamiento de núcleos de metales pesados como en el caso de la hemoglobina. Estas uniones entre metales y proteínas se denominan metalproteínas.

Muchas de estas sustancias se adicionan secundariamente a la proteína para que esta pueda tomar su forma activa, por lo que son denominadas cofactores.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

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