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La biología, o informalmente, la vida misma, se caracteriza por elegantes macromoléculas que han evolucionado durante cientos de millones de años para cumplir una serie de funciones críticas. Estos a menudo se clasifican en cuatro tipos básicos: carbohidratos (o polisacáridos), lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Si tiene experiencia en nutrición, reconocerá los primeros tres de estos como los tres macronutrientes estándar (o "macros", en el lenguaje de la dieta) que figuran en las etiquetas de información nutricional. El cuarto se refiere a dos moléculas estrechamente relacionadas que sirven como base para el almacenamiento y la traducción de información genética en todos los seres vivos.
Cada una de estas cuatro macromoléculas de la vida, o biomoléculas, realiza una variedad de tareas; Como es de esperar, sus diferentes roles están exquisitamente relacionados con sus diversos componentes y arreglos físicos.
Macromoléculas
UNA macromolécula es una molécula muy grande, que generalmente consiste en subunidades repetidas llamadas monómeros, que no puede reducirse a componentes más simples sin sacrificar el elemento "bloque de construcción". Si bien no existe una definición estándar de cuán grande debe ser una molécula para ganar el prefijo "macro", generalmente tienen, como mínimo, miles de átomos. Es casi seguro que has visto este tipo de construcción en el mundo no natural; Por ejemplo, muchos tipos de papel tapiz, aunque elaborados en diseño y físicamente expansivos en general, consisten en subunidades contiguas que a menudo tienen un tamaño de menos de un pie cuadrado. Aún más obvio, una cadena puede considerarse como una macromolécula en la que los enlaces individuales son los "monómeros".
Un punto importante sobre las macromoléculas biológicas es que, con la excepción de los lípidos, sus unidades monoméricas son polares, lo que significa que tienen una carga eléctrica que no se distribuye simétricamente. Esquemáticamente, tienen "cabezas" y "colas" con diferentes propiedades físicas y químicas. Debido a que los monómeros se unen entre sí, las macromoléculas también son polares.
Además, todas las biomoléculas tienen altas cantidades del elemento carbono. Es posible que haya escuchado el tipo de vida en la Tierra (en otras palabras, el único tipo que sabemos con certeza existe en cualquier lugar) denominado "vida basada en el carbono", y con razón. Pero el nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno y el fósforo también son indispensables para los seres vivos, y una gran cantidad de otros elementos están en la mezcla en menor grado.
Carbohidratos
Es casi seguro que cuando ves o escuchas la palabra "carbohidrato", lo primero que piensas es "comida" y quizás más específicamente, "algo en la comida que mucha gente intenta deshacerse". "Lo-carb" y "no-carb" se convirtieron en palabras de moda para perder peso en la primera parte del siglo XXI, y el término "carga de carbohidratos" ha estado presente en la comunidad de deportes de resistencia desde la década de 1970. Pero, de hecho, los carbohidratos son mucho más que una fuente de energía para los seres vivos.
Todas las moléculas de carbohidratos tienen la fórmula (CH2O)norte, donde n es el número de átomos de carbono presentes. Esto significa que la relación C: H: O es 1: 2: 1. Por ejemplo, los azúcares simples glucosa, fructosa y galactosa tienen la fórmula C6H12O6 (los átomos de estas tres moléculas están, por supuesto, dispuestos de manera diferente).
Los carbohidratos se clasifican como monosacáridos, disacáridos y polisacáridos. Un monosacárido es la unidad monomérica de los carbohidratos, pero algunos carbohidratos consisten en un solo monómero, como la glucosa, la fructosa y la galactosa. Por lo general, estos monosacáridos son más estables en forma de anillo, que se representa esquemáticamente como un hexágono.
Los disacáridos son azúcares con dos unidades monoméricas, o un par de monosacáridos. Estas subunidades pueden ser iguales (como en maltosa, que consiste en dos moléculas de glucosa unidas) o diferentes (como en sacarosa o azúcar de mesa, que consiste en una molécula de glucosa y una molécula de fructosa. Los enlaces entre monosacáridos se denominan enlaces glucosídicos.
Los polisacáridos contienen tres o más monosacáridos. Cuanto más largas sean estas cadenas, es más probable que tengan ramas, es decir, que no sean simplemente una línea de monosacáridos de extremo a extremo. Ejemplos de polisacáridos incluyen almidón, glucógeno, celulosa y quitina.
El almidón tiende a formarse en hélice, o en forma de espiral; Esto es común en las biomoléculas de alto peso molecular en general. La celulosa, por el contrario, es lineal, y consiste en una larga cadena de monómeros de glucosa con enlaces de hidrógeno intercalados entre átomos de carbono a intervalos regulares. La celulosa es un componente de las células vegetales y les da rigidez. Los humanos no pueden digerir la celulosa, y en la dieta generalmente se la denomina "fibra". La quitina es otro carbohidrato estructural, que se encuentra en los cuerpos externos de los artrópodos, como los insectos, las arañas y los cangrejos. La quitina es un carbohidrato modificado, ya que está "adulterado" con amplios átomos de nitrógeno. El glucógeno es la forma de almacenamiento de carbohidratos del cuerpo; Los depósitos de glucógeno se encuentran tanto en el hígado como en el tejido muscular. Gracias a las adaptaciones enzimáticas en estos tejidos, los atletas entrenados pueden almacenar más glucógeno que las personas sedentarias como resultado de sus altas necesidades de energía y prácticas nutricionales.
Proteínas
Al igual que los carbohidratos, las proteínas son parte del vocabulario cotidiano de la mayoría de las personas debido a que sirven como un llamado macronutriente. Pero las proteínas son increíblemente versátiles, mucho más que los carbohidratos. De hecho, sin proteínas, no habría hidratos de carbono o lípidos porque las enzimas necesarias para sintetizar (además de digerir) estas moléculas son proteínas.
Los monómeros de las proteínas son los aminoácidos. Estos incluyen un grupo de ácido carboxílico (-COOH) y un amino (-NH2) grupo. Cuando los aminoácidos se unen entre sí, es a través de un enlace de hidrógeno entre el grupo ácido carboxílico en uno de los aminoácidos y el grupo amino del otro, con una molécula de agua (H2O) lanzado en el proceso. Una cadena de aminoácidos en crecimiento es un polipéptido, y cuando es lo suficientemente larga y asume su forma tridimensional, es una proteína completa. A diferencia de los carbohidratos, las proteínas nunca muestran ramas; son solo una cadena de grupos carboxilo unidos a grupos amino. Debido a que esta cadena debe tener un principio y un final, un extremo tiene un grupo amino libre y se llama terminal N, mientras que el otro tiene un grupo amino libre y se llama terminal C. Debido a que hay 20 aminoácidos, y estos se pueden organizar en cualquier orden, la composición de las proteínas es extremadamente variada aunque no se produzca ramificación.
Las proteínas tienen lo que se llama estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria. La estructura primaria se refiere a la secuencia de aminoácidos en la proteína, y está genéticamente determinada. La estructura secundaria se refiere a doblarse o retorcerse en la cadena, generalmente de manera repetitiva. Algunas conformaciones incluyen una hélice alfa y una lámina plisada beta, y resultan de enlaces de hidrógeno débiles entre las cadenas laterales de diferentes aminoácidos. La estructura terciaria es la torsión y el rizado de la proteína en el espacio tridimensional y puede involucrar enlaces disulfuro (azufre a azufre) y enlaces de hidrógeno, entre otros. Finalmente, la estructura cuaternaria se refiere a más de una cadena de polipéptidos en la misma macromolécula. Esto ocurre en el colágeno, que consiste en tres cadenas retorcidas y enrolladas juntas como una cuerda.
Las proteínas pueden servir como enzimas, que catalizan reacciones bioquímicas en el cuerpo; como hormonas, como la insulina y la hormona del crecimiento; como elementos estructurales; y como componentes de la membrana celular.
Lípidos
Los lípidos son un conjunto diverso de macromoléculas, pero todos comparten el rasgo de ser hidrófobos; es decir, no se disuelven en agua. Esto se debe a que los lípidos son eléctricamente neutros y, por lo tanto, no polares, mientras que el agua es una molécula polar. Los lípidos incluyen triglicéridos (grasas y aceites), fosfolípidos, carotenoides, esteroides y ceras. Participan principalmente en la formación y estabilidad de la membrana celular, forman porciones de hormonas y se usan como combustible almacenado. Las grasas, un tipo de lípidos, son el tercer tipo de macronutrientes, con carbohidratos y proteínas discutidos anteriormente. A través de la oxidación de sus denominados ácidos grasos, suministran 9 calorías por gramo en lugar de las 4 calorías por gramo suministradas por los carbohidratos y las grasas.
Los lípidos no son polímeros, por lo que vienen en una variedad de formas. Al igual que los carbohidratos, consisten en carbono, hidrógeno y oxígeno. Los triglicéridos consisten en tres ácidos grasos unidos a una molécula de glicerol, un alcohol de tres carbonos. Estas cadenas laterales de ácidos grasos son hidrocarburos largos y simples. Estas cadenas pueden tener dobles enlaces, y si lo tienen, eso hace que el ácido graso insaturado. Si solo hay uno de estos dobles enlaces, el ácido graso es monoinsaturados. Si hay dos o más, es poliinsaturado. Estos diferentes tipos de ácidos grasos tienen diferentes implicaciones para la salud de diferentes personas debido a sus efectos en las paredes de los vasos sanguíneos. Las grasas saturadas, que no tienen dobles enlaces, son sólidas a temperatura ambiente y generalmente son grasas animales; Estos tienden a causar placas arteriales y pueden contribuir a la enfermedad cardíaca. Los ácidos grasos pueden manipularse químicamente y las grasas insaturadas, como los aceites vegetales, pueden saturarse para que sean sólidas y convenientes de usar a temperatura ambiente, como la margarina.
Los fosfolípidos, que tienen un lípido hidrofóbico en un extremo y un fosfato hidrófilo en el otro, son un componente importante de las membranas celulares. Estas membranas consisten en una bicapa de fosfolípidos. Las dos porciones de lípidos, que son hidrófobas, están orientadas hacia el exterior y el interior de la célula, mientras que las colas hidrofílicas de fosfato se encuentran en el centro de la bicapa.
Otros lípidos incluyen esteroides, que sirven como hormonas y precursores hormonales (por ejemplo, colesterol) y contienen una serie de estructuras de anillo distintivas; y ceras, que incluyen cera de abejas y lanolina.
Ácidos nucleicos
Los ácidos nucleicos incluyen ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN). Estos son muy similares estructuralmente ya que ambos son polímeros en los que las unidades monoméricas son nucleótidos. Los nucleótidos consisten en un grupo de azúcar pentosa, un grupo fosfato y un grupo base nitrogenada. Tanto en el ADN como en el ARN, estas bases pueden ser uno de los cuatro tipos; de lo contrario, todos los nucleótidos del ADN son idénticos, como lo son los del ARN.
El ADN y el ARN difieren en tres formas principales. Una es que en el ADN, el azúcar pentosa es desoxirribosa, y en el ARN es ribosa. Estos azúcares difieren exactamente por un átomo de oxígeno. La segunda diferencia es que el ADN generalmente es bicatenario, formando la doble hélice descubierta en la década de 1950 por el equipo de Watson y Cricks, pero el ARN es monocatenario. El tercero es que el ADN contiene las bases nitrogenadas adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T), pero el ARN tiene uracilo (U) sustituido por timina.
El ADN almacena información hereditaria. Las longitudes de los nucleótidos forman genes, que contienen la información, a través de las secuencias de bases nitrogenadas, para fabricar proteínas específicas. Muchos genes componen cromosomas y la suma total de los cromosomas de un organismo (los humanos tienen 23 pares) es su genoma. El ADN se usa en el proceso de transcripción para hacer una forma de ARN llamada ARN mensajero (ARNm). Esto almacena la información codificada de una manera ligeramente diferente y la mueve fuera del núcleo celular donde está el ADN y hacia el citoplasma celular o matriz. Aquí, otros tipos de ARN inician el proceso de traducción, en el que las proteínas se fabrican y se envían a toda la célula.