Una biomolécula o molécula biológica se define vagamente 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 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 nutrientes , 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 sólo cuatro elementos ( oxígeno , carbono , hidrógeno y nitrógeno ) constituyen el 96% de la masa del cuerpo humano . Pero muchos otros elementos, como los distintos biometales , también están presentes en pequeñas cantidades.
La uniformidad de ambos tipos específicos de moléculas (las biomoléculas) y de ciertas rutas metabólicas son características invariantes entre la amplia diversidad de formas de vida; por ello, 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]
Existe una amplia gama de biomoléculas, que incluyen:
Los nucleósidos son moléculas formadas uniendo una nucleobase 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 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 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 ribosomal o en los ARN de transferencia o para discriminar las hebras de ADN nuevas de las viejas después de la replicación. [6]
Cada nucleótido está formado 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 a importantes cofactores de reacciones enzimáticas ( coenzima A , dinucleótido de flavina adenina , mononucleótido de flavina y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato ). [7]
La estructura del ADN está dominada por la 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 emparejamiento de bases altamente específico y estable es la base del almacenamiento confiable de información genética. El ADN a veces puede presentarse como hebras simples (que a menudo necesitan ser estabilizadas por proteínas de unión de hebras simples) o como hélices en forma A o Z , y ocasionalmente en estructuras 3D más complejas, como el cruce en las uniones Holliday durante la replicación del ADN. [7]
El ARN, por el contrario, forma estructuras terciarias tridimensionales grandes y complejas que recuerdan a las proteínas, así como hebras individuales sueltas con regiones localmente plegadas que constituyen las moléculas de ARN mensajero . Esas estructuras de ARN contienen muchos tramos de doble hélice en forma de A, conectados en disposiciones tridimensionales definidas mediante bucles, protuberancias y uniones monocatenarias. [8] Algunos ejemplos son ARNt, ribosomas, ribozimas y riboswitches . Estas estructuras complejas se ven facilitadas por el hecho de que la columna vertebral del ARN tiene menos flexibilidad local que el ADN pero un gran conjunto de conformaciones distintas, aparentemente debido a interacciones positivas y negativas del OH extra en la ribosa. [9] Las moléculas de ARN estructuradas pueden realizar una unión altamente específica de otras moléculas y pueden reconocerse específicamente; además, pueden realizar catálisis enzimática (cuando se les conoce como " ribozimas ", como lo descubrieron inicialmente Tom Cech y sus colegas). [10]
Los monosacáridos son la forma más simple de carbohidratos con un solo azúcar simple. Básicamente 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 indica 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, forman un enlace con la eliminación de agua. Se pueden hidrolizar para producir sus componentes básicos de sacarina hirviéndolos con ácido diluido o haciéndolos reaccionar con enzimas apropiadas. [6] Ejemplos de disacáridos incluyen sacarosa , maltosa y lactosa .
Los polisacáridos son monosacáridos polimerizados o carbohidratos complejos. Tienen múltiples azúcares simples. Algunos ejemplos son el almidón , la celulosa y el glucógeno . Generalmente son grandes y suelen tener una conectividad ramificada compleja. Debido a su tamaño, los polisacáridos no son solubles en agua, pero sus numerosos 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 bebida de jugo de naranja. [13] El cambio en la intensidad de la fluorescencia de las películas de detección resultantes está directamente relacionado con la concentración de sacáridos. [14]
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 principales componentes estructurales 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 .
Los lípidos (oleaginosos) son principalmente ésteres de ácidos grasos y son los componentes básicos de las membranas biológicas . Otra función biológica es el almacenamiento de energía (p. ej., 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 y, por lo tanto, son anfifílicas . Los ácidos grasos consisten en cadenas no ramificadas de átomos de carbono que están conectados solo 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 carbonos de largo, pero siempre es un número par.
Para los lípidos presentes en las membranas biológicas, la cabeza hidrófila pertenece a una de tres clases:
Otros lípidos incluyen prostaglandinas y leucotrienos , que son unidades de acilo graso de 20 carbonos sintetizadas a partir del ácido araquidónico . También se les conoce como ácidos grasos.
Los aminoácidos contienen grupos funcionales tanto amino como ácido carboxílico . (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, más la prolina que en realidad no es un aminoácido).
A veces se observan aminoácidos modificados en las 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 mecanismo de control importante en el ciclo celular . Se sabe que sólo dos aminoácidos distintos de los veinte estándar se incorporan a las proteínas durante la traducción, en ciertos organismos:
Además de los utilizados en la síntesis de proteínas , otros aminoácidos biológicamente importantes incluyen la carnitina (utilizada en el transporte de lípidos dentro de una célula), la ornitina , el GABA y la taurina .
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 cadenas laterales a lo largo de la "columna vertebral" del polipéptido lineal.
Las proteínas tienen dos tipos de elementos de estructura local bien clasificados y que aparecen con frecuencia, definidos por un patrón particular de enlaces de hidrógeno a lo largo de la columna vertebral: hélice alfa y lámina 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 ( carbonilo ) de un residuo de aminoácido y el grupo NH ( amida ) del residuo i+4. La espiral tiene alrededor de 3,6 aminoácidos por vuelta y las cadenas laterales de aminoácidos sobresalen del cilindro de la hélice. Las láminas beta plisadas se forman mediante enlaces de hidrógeno entre cadenas 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 alterna por encima y por debajo de la hoja. La hemoglobina contiene sólo hélices, la seda natural está formada por láminas plisadas beta 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 general y compacta de una proteína se denomina estructura terciaria o "pliegue". 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 sea de secuencia idéntica o diferente) se agrupan para formar una proteína, se forma una estructura cuaternaria de proteína. La estructura cuaternaria es un atributo de las 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".
Una apoenzima (o, en general, una apoproteína) es la proteína sin ningún cofactor, sustrato o inhibidor de molécula pequeña unido. 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 al agregar un cofactor . Los cofactores pueden ser compuestos inorgánicos (p. ej., iones metálicos y grupos de hierro y azufre ) o compuestos orgánicos (p. ej., [grupo flavina|flavina] y hemo ). Los cofactores orgánicos pueden ser grupos protésicos , que están estrechamente unidos a una enzima, o coenzimas , que se liberan del sitio activo de la enzima durante la reacción.
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 un desarrollo o entorno cambiante. La LDH ( lactato deshidrogenasa ) tiene múltiples isoenzimas, mientras que la hemoglobina fetal es un ejemplo de una isoforma de una proteína no enzimática regulada por el desarrollo. Los niveles relativos de isoenzimas en sangre pueden usarse para diagnosticar problemas en el órgano de secreción.
