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Una biomolécula o molécula biológica es un término de uso general para las moléculas presentes en los organismos que son esenciales para uno o más procesos típicamente biológicos , como la división celular , la morfogénesis o el desarrollo . [1] Las biomoléculas incluyen grandes macromoléculas (o polianiones) como proteínas , carbohidratos , lípidos y ácidos nucleicos , así como moléculas pequeñas como metabolitos primarios , metabolitos secundarios.y productos naturales . Un nombre más general para esta clase de material es materiales biológicos. Las biomoléculas son un elemento importante de los organismos vivos, esas biomoléculas a menudo son endógenas , [2] producidas dentro del organismo [3] pero los organismos generalmente necesitan biomoléculas exógenas , por ejemplo, ciertos frutos secos , para sobrevivir.
La biología y sus subcampos de bioquímica y biología molecular estudian las biomoléculas y sus reacciones . 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 . Pero muchos otros elementos, como los diversos biometales , también están presentes en pequeñas cantidades.
La uniformidad de ambos tipos específicos de moléculas (las biomoléculas) y de ciertas vías metabólicas son características invariables entre la amplia diversidad de formas de vida; por 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 [ editar ]
Existe una amplia gama de biomoléculas, que incluyen:
- Pequeñas moléculas :
- Lípidos , ácidos grasos , glicolípidos , esteroles , monosacáridos
- Vitaminas
- Hormonas , neurotransmisores
- Metabolitos
- Monómeros , oligómeros y polímeros :
| Biomonómeros | Bio-oligo | Biopolímeros | Proceso de polimerización | Nombre del enlace covalente entre monómeros |
|---|---|---|---|---|
| Aminoácidos | Oligopéptidos | Polipéptidos , proteínas ( hemoglobina ...) | Policondensación | Enlace peptídico |
| Monosacáridos | Oligosacáridos | Polisacáridos ( celulosa ...) | Policondensación | Enlace glucosídico |
| Isopreno | Terpenos | Politerpenos: cis-1,4-poliisopreno de caucho natural y trans-1,4-poli-isopreno gutta-percha | Poliadición | |
| Nucleótidos | Oligonucleótidos | Polinucleótidos , ácidos nucleicos ( ADN , ARN ) | Enlace fosfodiéster |
Nucleósidos y nucleótidos [ editar ]
Los nucleósidos son moléculas formadas uniendo una base nucleotídica a un anillo de ribosa o desoxirribosa . Ejemplos de estos incluyen citidina (C), uridina (U), adenosina (A), guanosina (G) y timidina (T).
Los nucleósidos pueden fosforilarse mediante quinasas específicas en la célula, produciendo nucleótidos . Tanto el ADN como el ARN son polímeros , que consisten en moléculas lineales largas ensambladas por enzimas polimerasas a partir de unidades estructurales repetidas, o monómeros, de mononucleótidos. El ADN usa los desoxinucleótidos C, G, A y T, mientras que el ARN usa 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 con grupos metilo en el anillo base), como se encuentra en el ARN ribosómico o en los ARN de transferencia o para discriminar las cadenas de ADN nuevas de las antiguas 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 ( trifosfato de adenosina y trifosfato de guanosina ), participan en la señalización celular ( monofosfato de guanosina cíclico y monofosfato de adenosina cíclico ) y se incorporan en cofactores importantes de reacciones enzimáticas ( coenzima A , dinucleótido de flavina adenina , mononucleótido de flavina y fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina). [7]
Estructura de ADN y ARN [ editar ]
La estructura del ADN está dominada por la bien conocida doble hélice formada por el emparejamiento de bases de Watson-Crick de C con G y A con T. Esto se conoce como ADN en forma B , y es abrumadoramente el estado más favorable y común del ADN; su apareamiento de bases altamente específico y estable es la base del almacenamiento confiable de información genética. El ADN a veces puede ocurrir como hebras simples (a menudo necesitan ser estabilizadas por proteínas de unión de una sola hebra) o como hélices en forma de A o en forma de Z , y ocasionalmente en estructuras 3D más complejas, como el cruce en las uniones de Holliday durante la replicación del ADN. [7]
El ARN, por el contrario, forma estructuras terciarias 3D grandes y complejas que recuerdan a las proteínas, así como las cadenas simples sueltas con regiones plegadas localmente que constituyen moléculas de ARN mensajero . Esas estructuras de ARN contienen muchos tramos de doble hélice en forma de A, conectados en arreglos tridimensionales definidos por bucles, protuberancias y uniones monocatenarias. [8] Algunos ejemplos son tRNA, ribosomas, ribozimas y riboswitches . Estas estructuras complejas se ven facilitadas por el hecho de que el esqueleto del ARN tiene menos flexibilidad local que el ADN pero un gran conjunto de conformaciones distintas, aparentemente debido a interacciones tanto positivas como negativas del OH adicional en la ribosa. [9]Las moléculas de ARN estructurado pueden realizar una unión muy específica de otras moléculas y pueden reconocerse ellas mismas específicamente; además, pueden realizar catálisis enzimática (cuando se las conoce como " ribozimas ", como descubrieron inicialmente Tom Cech y sus colegas). [10]
Sacáridos [ editar ]
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 , triosis , tetrosis , heptosis , galactosa , pentosas., ribosa y desoxirribosa. La fructosa y la glucosa consumidas tienen diferentes tasas de vaciado gástrico, se absorben de manera diferencial y tienen diferentes destinos metabólicos, lo que brinda múltiples oportunidades para que 2 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 simples, forman un enlace con la eliminación de agua. Pueden hidrolizarse para producir sus componentes básicos de sacarina hirviéndolos con ácido diluido o haciéndolos reaccionar con las enzimas adecuadas. [6] Ejemplos de disacáridos incluyen sacarosa , maltosa y lactosa .
Los polisacáridos son monosacáridos polimerizados o carbohidratos complejos. Tienen múltiples azúcares simples. Algunos ejemplos son almidón , celulosa y glucógeno . Por lo general, son grandes y suelen tener una conectividad ramificada compleja. Debido a su tamaño, los polisacáridos no son solubles en agua, pero sus muchos grupos hidroxi se hidratan individualmente cuando se exponen al agua, y algunos polisacáridos forman dispersiones coloidales espesas cuando se calientan en agua. [6] Los polisacáridos más cortos, con 3 a 10 monómeros, se denominan oligosacáridos . [12]Se desarrolló un sensor de impresión molecular de desplazamiento de indicador fluorescente para discriminar sacáridos. Discriminó con éxito tres marcas de bebidas de jugo de naranja. [13] El cambio en la intensidad de la fluorescencia de las películas sensoras resultante está directamente relacionado con la concentración de sacárido. [14]
Lignina [ editar ]
La lignina es una macromolécula polifenólica compleja compuesta principalmente de enlaces beta-O4-arilo. Después de la celulosa, la lignina es el segundo biopolímero más abundante y es uno de los componentes estructurales primarios de la mayoría de las plantas. Contiene subunidades derivadas del alcohol p -cumarílico , alcohol coniferílico y alcohol sinapílico [15] y es inusual entre las biomoléculas porque es racémico . La falta de actividad óptica se debe a la polimerización de la lignina que se produce mediante reacciones de acoplamiento de radicales libres en las que no hay preferencia por ninguna de las configuraciones en un centro quiral .
Lípido [ editar ]
Los lípidos (oleaginosos) son principalmente ésteres de ácidos grasos y son los componentes básicos de las membranas biológicas . Otro papel biológico es el almacenamiento de energía (p. Ej., Triglicéridos ). La mayoría de los lípidos constan de una cabeza polar o hidrófila (típicamente glicerol) y de una a tres colas de ácidos grasos no polares o hidrófobos y, por lo tanto, son anfifílicos . Los ácidos grasos consisten en cadenas no ramificadas de átomos de carbono que están conectadas por enlaces simples solos ( ácidos grasos saturados ) o por enlaces simples y dobles ( insaturadosácidos grasos). Las cadenas suelen tener una longitud de 14-24 grupos de carbono, pero siempre es un número par.
Para los lípidos presentes en las membranas biológicas, la cabeza hidrófila pertenece a una de estas tres clases:
- Glicolípidos , cuyas cabezas contienen un oligosacárido con 1-15 residuos de sacáridos.
- Fosfolípidos , cuyas cabezas contienen un grupo cargado positivamente que está unido a la cola por un grupo fosfato cargado negativamente.
- Esteroles , cuyas cabezas contienen un anillo de esteroides planar, por ejemplo, colesterol .
Otros lípidos incluyen prostaglandinas y leucotrienos que son unidades de acilo graso de 20 carbonos sintetizadas a partir del ácido araquidónico . También se conocen como ácidos grasos.
Aminoácidos [ editar ]
Los aminoácidos contienen grupos funcionales amino y ácido carboxílico . (En bioquímica , el término aminoácido se utiliza cuando se hace referencia a aquellos aminoácidos en los que las funciones amino y carboxilato están unidas al mismo carbono, más prolina, que en realidad no es un aminoácido).
A veces se observan aminoácidos modificados en proteínas; esto suele ser el resultado de una modificación enzimática después de la traducción ( síntesis de proteínas ). Por ejemplo, la fosforilación de serina por quinasas y la desfosforilación por fosfatasas es un importante mecanismo de control en el ciclo celular . Se sabe que solo dos aminoácidos distintos de los veinte estándar se incorporan a las proteínas durante la traducción, en ciertos organismos:
- La selenocisteína se incorpora a algunas proteínas en un codón UGA , que normalmente es un codón de terminación.
- La pirrolisina se incorpora a algunas proteínas en un codón UAG. Por ejemplo, en algunos metanógenos en enzimas que se utilizan para producir metano .
Además de los utilizados en la síntesis de proteínas , otros aminoácidos biológicamente importantes incluyen carnitina (utilizada en el transporte de lípidos dentro de una célula), ornitina , GABA y taurina .
Estructura de la proteína [ editar ]
La serie particular de aminoácidos que forman una proteína se conoce como estructura primaria de esa proteína . Esta secuencia está determinada por la composición genética del individuo. Especifica el orden de los grupos de la cadena lateral a lo largo del "esqueleto" del polipéptido lineal.
Las proteínas tienen dos tipos de elementos de estructura local bien clasificados y que ocurren con frecuencia, definidos por un patrón particular de enlaces de hidrógeno a lo largo de la columna vertebral: hélice alfa y hoja beta . Su número y disposición se denomina estructura secundaria de la proteína. Las hélices alfa son espirales regulares estabilizadas por enlaces de hidrógeno entre el grupo CO de la columna vertebral ( carbonilo ) de un residuo de aminoácido y el grupo NH de la columna vertebral ( amida) del residuo i + 4. La espiral tiene aproximadamente 3,6 aminoácidos por vuelta y las cadenas laterales de aminoácidos sobresalen del cilindro de la hélice. Las láminas beta plisadas están formadas por enlaces de hidrógeno de la cadena principal entre hebras beta individuales, cada una de las cuales tiene una conformación "extendida" o completamente estirada. Las hebras pueden estar paralelas o antiparalelas entre sí, y la dirección de la cadena lateral se alterna por encima y por debajo de la hoja. La hemoglobina contiene solo hélices, la seda natural está formada por láminas beta plisadas y muchas enzimas tienen un patrón de hélices y hebras beta alternas. Los elementos de la estructura secundaria están conectados por regiones de "bucle" o "espiral" de conformación no repetitiva, que a veces son bastante móviles o desordenadas, pero generalmente adoptan una disposición estable y bien definida. [dieciséis]
La estructura tridimensional , compacta y global de una proteína se denomina estructura terciaria o "pliegue". Se forma como resultado de varias fuerzas atractivas como enlaces de hidrógeno , puentes disulfuro , interacciones hidrofóbicas , interacciones hidrofílicas , fuerza de van der Waals, etc.
Cuando dos o más cadenas polipeptídicas (de secuencia idéntica o diferente) se agrupan para formar una proteína, se forma la estructura cuaternaria de la proteína. La estructura cuaternaria es un atributo de proteínas poliméricas (cadenas de la misma secuencia) o heteroméricas (cadenas de diferentes secuencias) como la hemoglobina , que consta de dos cadenas polipeptídicas "alfa" y dos "beta".
Apoenzimas [ editar ]
Una apoenzima (o, generalmente, una apoproteína) es la proteína sin cofactores, sustratos o inhibidores de moléculas pequeñas unidos. A menudo es 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 esa proteína. Las apoenzimas se convierten en enzimas activas con la adición de un cofactor . Los cofactores pueden ser inorgánicos (p. Ej., Iones metálicos y agrupaciones de hierro-azufre ) u compuestos orgánicos (p. Ej., [Grupo flavina | flavina] y hemo ). Los cofactores orgánicos pueden ser grupos prostéticos , que están estrechamente unidos a una enzima, o coenzimas , que se liberan del sitio activo de la enzima durante la reacción.
Isoenzimas [ editar ]
Las isoenzimas , o isoenzimas, son formas múltiples de una enzima, con una secuencia de proteínas ligeramente diferente y funciones muy similares pero generalmente no idénticas. Son productos de genes diferentes o productos diferentes de empalmes alternativos . Pueden producirse en diferentes órganos o tipos de células para realizar la misma función, o pueden producirse varias isoenzimas en el mismo tipo de célula bajo regulación diferencial para adaptarse a las necesidades de desarrollo o entorno cambiantes. LDH ( lactato deshidrogenasa ) tiene múltiples isoenzimas, mientras que la hemoglobina fetales un ejemplo de una isoforma regulada por el desarrollo de una proteína no enzimática. Los niveles relativos de isoenzimas en sangre pueden usarse para diagnosticar problemas en el órgano de secreción.
Ver también [ editar ]
- Ingeniería biomolecular
- Lista de biomoléculas
- Metabolismo
- Modelado multiestado de biomoléculas
Referencias [ editar ]
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Enlaces externos [ editar ]
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