MACROMOLÉCULAS BIOLÓGICAS

"la íntima relación de la vida con las leyes de la combinación química y la universalidad de estas últimas hacen que la generación espontánea no sea improbable" 

Charles Darwin, 1937

¿Qué es una macromolécula biológica?

La materia, en su totalidad se encuentra formada por átomos unidos a través de enlaces de todo tipo, fuertes y débiles, transitorios o definitivos. De la unión fuerte y estable entre dos o más átomos se forma una molécula. Cuando ocurre que muchas moléculas similares se unen en forma encadenada, se denomina una macromolécula (macro = “grande”). Las moléculas pequeñas son las unidades o monómeros, mientras que las macromoléculas formadas por ellas son los polímeros. Muchas de estas macromoléculas están formando a las células de los seres vivos, por lo que se definen como macromoléculas biológicas.

NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LA MATERIA VIVA

¿Cuáles son las macromoléculas biológicas?

Aunque son muchas las moléculas que forman a la estructura viva, las principales y las más abundantes pertenecen a cuatro tipos: los glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. Existen muchas más pero en tanto a estructuras y funcionamiento de las células éstas son las fundamentales. En cualquiera de los tres casos, los átomos que las componen están dentro de un grupo reducido de elementos químicos.

TIPOS DE MACROMOLÉCULAS

GLÚCIDOS

• Son moléculas biológicas formadas por los átomos de Carbono (C), Hidrógeno (H) y Oxígeno (O)
• Las unidades o monómeros son los sacáridos simples o monosacáridos como la glucosa o ribosa.

• Se disponen en solución en forma de molécula cíclica de 5 lados (pentosas) o 6 lados (hexosas).
• Los polisacáridos son polímeros formados por cadenas de monosacáridos con o sin ramificaciones.

• Los glúcidos son moléculas estructurales (ej: receptores extracelulares de membrana) pero principalmente son energéticas, se degradan en su mayoría para la producción de ATP (molécula energética). Son la primer fuente de energía ya que son las que primero se degradan y, en algunos casos, la única (ej: neuronas).

• Ejemplos:
  • glucosa, monosacárido de 6 carbonos (Hexosa) presente en forma libre o formando polímeros como la celulosa, glucógeno o almidón. Es el compuesto orgánico más abundante de la naturaleza y fuente primaria de energía de las células.
  • Ribosa, monosacárido de 5 carbonos (Pentosa) presente en los ácidos nucleicos y en las moléculas energéticas (ATP)
  • Celulosa, polisacárido estructural presente en la pared celular de las células vegetales (plantas). Le brinda la resistencia y firmeza necesaria para soportar el peso de los tejidos vegetales y la presión interna del agua que se encuentra en las células
  • glucógeno, polisacárido energético presente en los tejidos animales como los músculos y en el hígado. Es un reservorio de energía ya que está formado por muchas moléculas de glucosa.

LÍPIDOS

• moléculas biológicas formadas por los átomos de Carbono (C), Hidrógeno (H) y Oxígeno (O).
• los lípidos simples son los ácidos grasos con un grupo ácido (HO-C=O) y una cadena lineal hidrocarbonada (-CH)

• 

  los lípidos compuestos son ésteres de ácidos grasos y glicerol por ejemplo los trigliceridos.

• Los lípidos de membrana (fosfolípidos) se forman de glicerol unido a dos ácidos grasos (colas apolares hidrófobas) y a un grupo fosfato con un grupo amino (cabeza polar hidrófila)

• Los lípidos son moléculas estructurales de los seres vivos (ej: membranas biológicas) y además son energéticas, siendo las moléculas que pueden reservar y generar mayor cantidad de energía en forma de ATP. Se utilizan de manera secundaria, luego de que se agotan los glúcidos.

PROTEÍNAS

• Macromoléculas biológicas formadas por los átomos de Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O) y Nitrógeno (N). Son principalmente estructurales aunque pueden servir como fuente de energía en última instancia.

• Son polímeros lineales formados por unidades o monómeros denominados aminoácidos, moléculas compuestas por un Carbono quiral (central) unido a cuatro grupos químicos diferentes, un Hidrógeno, un ácido, un amino y un radical hidrocarbonado.

• Grupo Radical (R), es una cadena de átomos de Carbono (C) característica a cada uno de los aminoácidos. Existen 20 aminoácidos diferentes, cada uno con su correspondiente grupo R. Se pueden clasificar en diversos tipos de acuerdo a la propiedad química del R y esto determina en que lugar de la proteína se va a situar, además de la función que cumplirá cada aminoácido.
• Aminoácidos apolares (sin carga), se encuentran en las regiones centrales de las proteínas, alejados del agua, pueden asociarse con la bicapa de lípidos de la membrana celular.
• Aminoácidos polares sin carga, se encuentran en las regiones centrales formando parte de los sitios activos, en muchos casos son cruciales para la función de la proteína.
• Aminoácidos aromáticos (con anillos), se encuentran principalmente en los sitios activos donde intervienen en las uniones de la proteína con otras sustancias.
• Aminoácidos polares con carga (positivos o negativos), se encuentran en la periferia de la proteína en contacto con el agua. 

• Cada aminoácido se une a otro a través de un enlace fuerte llamado ENLACE PEPTÍDICO. Este enlace une el átomo de Carbono (C) del grupo carboxilo (ácido) de un aminoácido, con el átomo de Nitrógeno (N) del grupo amino de otro aminoácido. Cada enlace que se forma libera una molécula de agua (H₂O) compuesta por el grupo -OH liberado del ácido y un -H liberado del amino.

ÁCIDOS NUCLEICOS

• Macromoléculas biológicas formadas por átomos de Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O), Nitrógeno (N) y Fósforo (P). Son moléculas estructurales y que contienen la información genética de un individuo.
• Son polímeros formados por unidades o monómeros llamados nucleótidos, moléculas que poseen tres grupos químicos diferentes.

• Cada nucleótido posee un monosacárido de 5 átomos de Carbono (pentosa) que puede ser la Ribosa, en el caso de ARN, o la desoxirribosa, en el caso de ADN.

• En los dos casos la pentosa está unida, por su Carbono 1 (C1), a un grupo químico complejo llamado Base Nitrogenada, su nombre se debe a que posee átomos de Nitrógeno dentro del anillo. Además, la pentosa se une a un grupo fosfato a través de su Carbono 5 (C5).

• Las bases nitrogenadas son grupos químicos con anillos compuestos por átomos de Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno. En los ácidos nucleicos podemos encontrar dos tipos de bases, las purinas y las pirimidinas.

Las purinas poseen dos anillos en su estructura y encontramos a la ADENINA (A) y la GUANINA (G).

Las pirimidinas poseen solo un anillo en su estructura y pueden ser la CITOSINA (C), la TIMINA (T) y el URACILO (U). 

MEMBRANAS BIOLÓGICAS

Cuando se inició la vida en la Tierra, los primeros proyectos de seres vivos solamente pudieron ser tales al momento de lograr una separación con el medio. La Evolución química de Oparin explica que los primeros sistemas lograron su delimitación formando los Coacervados, gotas coloidales con sustancias orgánicas. De ahí en adelante, las membranas biológicas han seguido el paso de la evolución, diferenciándose no tanto en su estructura pero sí en su composición.

¿Qué es una membrana?

Según la R.A.E.: (femenino Física.) Placa o 

lámina de pequeño espesor, generalmente flexible.

La principal característica de una membrana es su grosor pero también que puede separar un espacio de otro. No importa si es rodeando un órgano o recubriendo el techo de una casa, es un espacio de un lado y otro diferente del otro lado.

¿Por qué Membranas Biológicas?

Se denomina Membrana Biológica a toda aquella membrana que este formando parte de una célula, sea limitándola como en su interior. La principal es la MEMBRANA CELULAR que limita la célula, la separa del exterior y, a la vez, la comunica con este. Las membranas biológicas están compuestas de lípidos característicos en los que se insertan diversos tipos de proteínas también particulares de membrana. Esta composición es la que determina su funcionamiento y otras propiedades de su estructura.

TIPOS DE MEMBRANA

• Las membranas impermeables no dejan pasar nada.

• Las membranas semipermeables dejan pasar algunas cosas y otras no

• Las membranas permeables dejan pasar todo.

¿De qué tipo es una membrana biológica?

Se podría decir que una membrana biológica deja pasar ciertas sustancias y otras no, es decir que sería semipermeable. Pero sus propiedades hacen que el pasaje de sustancias se realice dependiendo de las condiciones de los compartimientos que separa, el exterior y el interior celular. En esas condiciones no solo incide el tipo de sustancia sino que también el momento en que se encuentra el funcionamiento celular, haciendo que la permeabilidad dependa tanto en forma química como temporal del estado de la célula. Por lo tanto las membranas biológicas presentan una PERMEABILIDAD SELECTIVA

¿Cómo es una Membrana Biológica?

El modelo que mejor explica la estructura y composición de una membrana biológica se denomina “Mosaico Fluido”. Dicho modelo establece que se trata de dos capas de lípidos que contienen a proteínas en forma fluida.

La bicapa está formada por lípidos con una característica particular, son moléculas anfipáticas, es decir existe una parte polar o hidrófila y otra parte apolar o hidrófoba en una misma molécula. Los lípidos característicos de las membranas biológicas son los fosfolípidos. La cabeza hidrofílica se mantiene en contacto con el medio acuoso formando puentes de Hidrógeno. Las colas hidrofóbicas de una capa se mantienen en contacto con las colas de la otra capa a través de interacciones débiles.

Los medios acuosos, el exterior y el interior, quedan separados por una zona que repele el agua, por lo que dificulta su pasaje.

¿Qué son las proteínas de membrana?

A la bicapa de lípidos se integran ciertas proteínas con características particulares que le proporcionan la propiedad de ser permeable selectivamente. Además son las encargadas de las demás funciones específicas que tienen las membranas biológicas como por ejemplo la comunicación entre los compartimientos. Así como las moléculas de lípidos, las proteínas que atraviesan la membrana son anfipáticas, con una parte hidrófila y otra hidrófoba. Simplemente, la parte hidrófila queda en contacto con el medio acuoso y la parte hidrófoba en contacto con las colas hidrofóbicas de los lípidos.

TIPOS DE PROTEÍNAS DE MEMBRANA

Proteínas integrales: poseen una parte hidrofílica en contacto con el medio acuoso y una parte hidrofóbica en contacto con las colas de los fosfolípidos. Pueden atravesar la bicapa por completo o no. Pueden presentar cadenas de polisacáridos asociados únicamente del lado externo de la célula.

Ejemplos: - transportadores o canales

- intercambiadores

- bombas

Proteínas periféricas: son plenamente hidrófilas, por lo que no ingresan al sector de las colas hidrofóbicas de la bicapa. Pueden estar del lado externo o interno de la célula. Pueden presentar cadenas de polisacáridos asociados únicamente del lado externo de la célula.

Ejemplos: - citoesqueleto (internas)

- receptores de hormonas (externas)

- receptores de antígenos (externas)

MODELO DE MOSAICO FLUIDO

Las proteínas de membrana se asocian a una bicapa lipídica mediante interacciones débiles (hidrofóbicas – apolares – y puentes de Hidrógeno – polares –). Estas interacciones posibilitan que, tanto las moléculas de lípidos como de proteínas, puedan fluir facilmente, trasladándose de un punto a otro de la membrana biológica. Hay que agregar como componente de membrana a los glúcidos. Estos forman cadenas de polisacáridos unidos químicamente a proteínas de membrana. Se encuentran únicamente del lado externo de la membrana celular por el hecho que en el interior están expuestas a la degradación química que normalmente funciona dentro de la célula. Por último, es importante mencionar como componente de membrana al colesterol. Es una molécula lipídica que se inserta como una cuña entre los fosfolípidos cambiando la fluidez de la membrana. Cuanto mayor cantidad de moléculas de colesterol, menos fluida y más rígida es la membrana.

¿Cuáles son las funciones de la membrana?

Debido a la ubicación de la Membrana Celular, la función primaria es delimitar a la célula, determina que es célula y que no. A partir de esto, las demás funciones se establecen por su estructura, su composición y las condiciones de los medios acuosos que separa. Estas son algunas de las principales funciones:

• Mantenimiento de las condiciones diferenciales entre los medios acuosos que separa.
• Comunicación entre el medio interno y el externo o viceversa.
• Transporte de sustancias desde y hacia el interior celular.
• Control de reacciones bioquímicas internas y externas.
• Forma y movimiento celular

¿Qué pasa por la membrana?

Una de las funciones principales de las membranas biológicas es el transporte de sustancias. Su propiedad de permeabilidad selectiva se debe a que la bicapa lipídica impide el pasaje de ciertas sustancias, sea por su tamaño o por su composición. De ahí que la selectividad es determinada por las proteínas de membrana.

TRANSPORTE PASIVO

Al separar medios acuosos, la membrana esta sujeta a fenómenos físicos propios de las soluciones, es decir una sustancia solvente (agua) con otras disueltas en ella (solutos). La difusión de solutos en solución es un fenómeno fundamental para el funcionamiento de las membranas biológicas. Las sustancias en solución, siempre se mueven desde donde hay más (mayor concentración) a donde hay menos. El pasaje se realiza gracias a que la diferencia entre las concentraciones de un lado y otro es un tipo de energía llamada Gradiente. Sólo culmina cuando las concentraciones se equilibran, así el gradiente se vuelve cero.

Normalmente, la membrana celular divide el exterior con una gran concentración del ion positivo sodio (Na⁺) y una baja concentración del ion positivo potasio (K⁺). Como son partículas cargadas positivamente, no pueden cruzar, por sí mismas, la bicapa lipídica, precisamente el sector hidrofóbico. 
Los gradientes de estos dos iones son la energía que se necesita para transportar sustancias a través de la membrana, principalmente el ingreso de los nutrientes a la célula. Este transporte es llevado a cabo por las proteínas integrales que la atraviesan. Las proteínas canales y los intercambiadores se abren cuando se necesita transportar cierta sustancia y utilizan el gradiente de sodio para ingresarla o potasio para sacarla.

TRANSPORTE ACTIVO

A diferencia del pasivo que ocurre gracias a los gradientes de iones como el sodio o el potasio, el transporte activo se lleva a cabo con el gasto de otro tipo de energía. Para transportar sustancias en contra de su gradiente, la membrana puede utilizar la energía de las moléculas de ATP (adenosin tri fostato). Estas se componen de una adenina (nucleótido) unida a una ribosa (azúcar) y a tres grupos fosfatos. Se generan en la respiración celular de mitocondrias (en eucariotas) o de la propia membrana celular (en procariotas) agregando un fosfato a un ADP (adenosina di fostato).

La bomba de sodio y potasio (Na⁺–K⁺ ATPasa) es un ejemplo característico de este tipo de transporte. Luego que una sustancia es ingresada gracias al gradiente de sodio, la membrana debe contrarrestar el ingreso de átomos cargados, por lo que se activa el transporte del potasio hacia afuera. Los dos pasajes mantienen la estabilidad de las cargas, esto evita que la célula se llene de agua, pero se genera una disminución del gradiente (energía). Los gradientes de sodio y potasio son esenciales para las propiedades de la membrana, por lo que se necesita sacrificar un poco de energía de los ATP para mantenerlos. La bomba Na⁺–K⁺ retira sodio del interior celular e introduce potasio gastando ATP. En cada ciclo salen de la célula 3 átomos de Na⁺ al exterior y entran, desde el exterior a la célula, 2 átomos de K⁺. La bomba restituye los valores de gradientes de estos iones posibilitando que continúe ocurriendo los demás transportes.

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