Fundamentos de Bioquímica: Bioelementos, Agua y Carbohidratos Esenciales

Los Bioelementos

Los bioelementos son los elementos químicos que constituyen la materia viva. Se clasifican según su abundancia:

Clasificación de los Bioelementos

• Bioelementos Primarios (98%): C, H, O, N, P, S. Componentes fundamentales de las biomoléculas orgánicas.
• Bioelementos Secundarios (2%): Ca, Na, K, Mg, Cl. Formadores de sales minerales. Cumplen funciones estructurales y de regulación.
• Oligoelementos (Menos del 0,1%): Fe, Mn, Cu, Zn, I. Poseen funciones catalíticas esenciales (cofactores enzimáticos).

Propiedades de los Bioelementos Primarios (C, H, O, N, P, S)

Son seleccionados por la vida debido a sus propiedades únicas:

• Enlaces Covalentes Estables: Tienen capas externas incompletas, lo que les permite formar enlaces covalentes estables.
• Bajo Número Atómico: Otorga gran estabilidad a las moléculas formadas.
• Polaridad: El O y el N son electronegativos, formando biomoléculas polares que son solubles en agua.

Funciones de los Bioelementos Secundarios (Ca, Na, K, Mg, Cl)

• Formación de estructuras esqueléticas.
• Generación de gradientes iónicos (esenciales para el impulso nervioso y la contracción muscular).
• Mantenimiento del equilibrio osmótico.

Las Biomoléculas y sus Enlaces

Las biomoléculas son las moléculas que forman la materia viva, constituidas por bioelementos unidos por enlaces químicos.

2.1. Los Enlaces Químicos

Se dividen en intramoleculares (fuertes, unen átomos) e intermoleculares (débiles, unen moléculas).

• Enlace Covalente (Intramolecular): Fuerte. Comparten electrones (Regla del octeto). Forma moléculas. Es la base de todas las biomoléculas orgánicas.
• Enlace Iónico (Intramolecular): Fuerte. Transferencia de electrones; atracción electrostática entre catión (metal) y anión (no metal). Forma redes iónicas. Ejemplo: Sales minerales (NaCl).
• Puentes de Hidrógeno (Intermolecular): Débil. Atracción entre el polo positivo (H) y el polo negativo (O o N) de moléculas polares. Ejemplo: Agua, estructura de proteínas y ADN.
• Interacciones Hidrofóbicas (Intermolecular): Débil. Agrupación de moléculas no polares para evitar el contacto con el agua. Ejemplo: Bicapas de membranas lipídicas.

2.2. Clasificación de las Biomoléculas

• Inorgánicas: Comunes a la materia viva e inerte. Ejemplo: Agua y Sales Minerales.
• Orgánicas: Exclusivas de la materia viva, basadas en cadenas de carbono. Ejemplo: Glúcidos, Lípidos, Proteínas, Ácidos Nucleicos.

2.3. Los Grupos Funcionales

Son grupos de átomos (-OH, -COOH, etc.) que confieren propiedades específicas a las biomoléculas orgánicas, como su solubilidad en agua o su capacidad de reacción.

El Agua, Disolvente Universal

El agua es la molécula más abundante en los seres vivos y sus propiedades únicas derivan de su estructura polar.

Estructura y Polaridad del Agua

• Estructura y Polaridad: H₂O formada por enlaces covalentes. La alta electronegatividad del Oxígeno atrae los electrones, generando un dipolo eléctrico.
• Puentes de Hidrógeno: La polaridad permite que el H de una molécula se una electrostáticamente al O de otra. Estos enlaces son los responsables de sus propiedades únicas.

Propiedades Físico-Químicas del Agua

1. Alta Capacidad Disolvente: El agua se considera el disolvente universal por su capacidad de disolución, al establecer fuerzas de solvatación con sustancias iónicas o enlaces de hidrógeno con moléculas polares.
2. Elevada Fuerza de Cohesión: Las moléculas de agua están fuertemente cohesionadas por los puentes de hidrógeno. Esto le confiere dos características: Gran incompresibilidad y Elevada tensión superficial.
3. Alta Fuerza de Adhesión: El agua se adhiere a la superficie del recipiente que la contiene.
4. Alto Calor Específico: Se requiere un alto aporte de energía para romper los enlaces de hidrógeno y aumentar 1°C la temperatura de 1 gramo de agua.
5. Alto Calor de Vaporización: Se requiere un aporte de energía considerable para romper los enlaces de hidrógeno y pasar el agua del estado líquido a gas.
6. Bajo Grado de Ionización: El pH del agua pura es 7, ya que, a 25°C, solo una molécula de cada 10⁷ está disociada en H⁺ y OH⁻, de modo que la concentración de H⁺ es de 10⁻⁷M.
7. Reducida Viscosidad: La viscosidad es la resistencia que opone un líquido a fluir.
8. Mayor Densidad en Estado Líquido que Sólido: El hielo, al ser menos denso que el agua líquida, flota sobre ella.

Funciones Biológicas del Agua

1. Transporte: Vehículo de entrada, circulación y salida de sustancias (nutrientes y sustancias de desecho).
2. Metabólica: Todas las reacciones metabólicas ocurren en el medio acuoso.
3. Estructural: El agua actúa como esqueleto hidrostático, proporcionando turgencia a las células.
4. Flotabilidad: El agua forma una película superficial que permite la vida en superficie.
5. Capilaridad: La adhesión, junto con la cohesión, determina la capacidad del agua de ascender por un capilar. Esto contribuye, por ejemplo, al ascenso de la savia en las plantas.
6. Termorreguladora: El agua puede absorber o perder gran cantidad de calor sin modificar apenas su temperatura. Mantiene la temperatura del organismo dentro de límites estrechos.
7. Función Amortiguadora: El pH neutro del agua pura es compatible con el pH celular.
8. Lubricante: El agua reduce el rozamiento, facilitando el desplazamiento entre las diferentes estructuras (líquido sinovial, líquido pleural, etc.).
9. Función Ecológica: En ecosistemas acuáticos, el hielo forma una capa superficial termoaislante que permite la existencia de vida acuática en climas fríos.

Las Sales Minerales

Las sales minerales son biomoléculas inorgánicas que se encuentran en los seres vivos precipitadas o disueltas.

4.1. Sales Precipitadas (Insolubles)

• Función: Formar estructuras sólidas de protección o sostén.
• Ejemplos: Fosfato Cálcico (Ca₃(PO₄)₂) en huesos, Carbonato Cálcico (CaCO₃) en conchas y dientes.

4.2. Sales Disueltas (Solubles)

• Se encuentran disociadas en cationes (Na⁺, K⁺, Ca²⁺) y aniones (Cl⁻, PO₄³⁻, HCO₃⁻).
• Funciones:
  1. Mantenimiento de las Concentraciones Osmóticas (regulan el movimiento de agua: ósmosis).
  2. Mantenimiento del pH (actúan como Sistemas Tampón o Buffer).

Sistemas Amortiguadores del pH (Buffer)

Mantienen el pH interno en un rango estrecho vital:

• Tampón Fosfato: Actúa principalmente a nivel intracelular.
  • Mecanismo: Si H⁺ aumenta, el equilibrio se desplaza a la izquierda, capturando H⁺.
• Tampón Bicarbonato: Actúa a nivel extracelular (plasma sanguíneo).
  • Mecanismo: Si H⁺ aumenta, el equilibrio se desplaza a la izquierda, produciendo CO₂ que se elimina por la respiración.

Los Glúcidos (Carbohidratos)

Los glúcidos (azúcares o hidratos de carbono) son biomoléculas orgánicas compuestas principalmente por C, H, O, aunque pueden contener N, S, P.

Características Generales de los Glúcidos

• Función Principal: Energética (fuente de energía inmediata y de reserva).
• Definición Química: Son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas (poseen varios grupos -OH y un grupo carbonilo, aldehído o cetona).
• Clasificación por Complejidad:
  • Osas (Monosacáridos): Unidades sencillas.
  • Ósidos: Formados por la unión de monosacáridos (Oligosacáridos y Polisacáridos).

5.1. Los Monosacáridos (Osas)

Son los glúcidos más sencillos, usados directamente por las células como fuente energética.

Nomenclatura y Estructura

• Por Grupo Funcional:
  • Aldosas: Grupo aldehído en C1.
  • Cetosas: Grupo cetona en C2.
• Por Número de Carbonos: Triosas (3C), Tetrosas (4C), Pentosas (5C) y Hexosas (6C).

Propiedades Físicas, Químicas y Estereoisomería

• Propiedades Físicas: Sólidos, cristalizables, blancos, sabor dulce y solubles en agua.
• Propiedades Químicas: Poseen poder reductor debido a las características del grupo carbonilo, que puede oxidarse y formar enlaces glucosídicos.
• Estereoisomería: Tienen la misma fórmula pero diferente disposición espacial. Se debe a los Carbonos Asimétricos (C*), unidos a cuatro grupos diferentes. El número de isómeros es 2ⁿ (siendo n el N° de C*).

Tipos de Estereoisómeros

• Enantiómeros: Imágenes especulares no superponibles. Tienen distinta actividad óptica, desviando el plano de luz polarizada: derecha (dextrógiro, +) o izquierda (levógiro, -).
• Epímeros: Estereoisómeros que se distinguen por la configuración espacial de uno solo de sus C asimétricos (distinto del más alejado del grupo carbonilo). No son imágenes especulares y tienen diferentes propiedades.

Ciclación de los Monosacáridos

En disolución acuosa, la mayoría de monosacáridos forman moléculas cíclicas, con anillos de 5 carbonos (furanosas) o 6 carbonos (piranosas).

En la ciclación, reacciona el grupo carbonilo con el grupo hidroxilo del penúltimo C de su cadena, formando un hemiacetal (si el carbonilo es un aldehído) o un hemicetal (si el carbonilo es una cetona).

El C del grupo carbonilo pasa a ser asimétrico y se originan dos nuevos estereoisómeros llamados anómeros, que se diferencian en la posición de su grupo hidroxilo.

Monosacáridos de Interés Biológico

• Pentosas (5C):
  • D-Ribosa y D-Desoxirribosa: Constituyentes de ARN y ADN.
  • D-Ribulosa: Intermediario clave en la fotosíntesis (fijación de CO₂).
• Hexosas (6C):
  • Glucosa: Principal molécula energética y monómero base de polisacáridos.
  • Galactosa: Forma parte de la Lactosa (azúcar de la leche).
  • Fructosa: Se encuentra libre en frutos y forma parte de la Sacarosa.

5.2. Holósidos: Los Oligosacáridos

Los oligosacáridos son cadenas cortas de monosacáridos (2-10) unidos por enlaces O-glucosídicos. Tienen funciones energéticas y de reconocimiento de la superficie celular.

Disacáridos

Los disacáridos están formados por la unión de dos monosacáridos mediante un enlace O-glucosídico, que puede ser monocarbonílico o dicarbonílico.

Tienen estructura cristalina, son solubles en agua, incoloros y de sabor dulce.

Tienen capacidad reductora si el grupo anomérico está libre, es decir, si los monosacáridos se unen mediante enlace O-glucosídico monocarbonílico.

Disacáridos Clave

• Sacarosa (Glucosa + Fructosa): Enlace dicarbonílico (no reductor). Azúcar de mesa.
• Lactosa (Glucosa + Galactosa): Enlace monocarbonílico (reductor). Azúcar de la leche. La carencia de la enzima lactasa provoca intolerancia.

5.3. Holósidos: Los Polisacáridos

Son largas moléculas formadas por la unión de más de diez monosacáridos.

Propiedades y Tipos de Enlace

• Propiedades Físicas: Sólidos no cristalinos, sin sabor dulce e insolubles en agua (forman dispersiones coloidales).
• Propiedades Químicas: No tienen poder reductor, son hidrolizables (se rompen por enzimas o ácidos).
• Tipos de Enlace O-Glucosídico:
  • Enlace tipo alfa (α): Característico de los polisacáridos de reserva (más débil).
  • Enlace tipo beta (β): Característico de los polisacáridos estructurales (estable y resistente).

Clasificación de Polisacáridos

Heteropolisacáridos

Formados por varios tipos de monosacáridos o derivados. Suelen tener funciones estructurales y lubricantes.

• Glucosaminoglucanos (Mucopolisacáridos): Por ejemplo, Heparina (anticoagulante), Ácido Hialurónico (lubricante) y Condroitina (cartílagos).
• Otros: Pectinas y Hemicelulosas (matriz de paredes celulares vegetales); Agar-agar (medios de cultivo y espesante).

Homopolisacáridos

Formados por un solo tipo de monosacárido.