Bioelementos y Biomoléculas: Los Pilares de la Vida

1. Bioelementos: Composición Química de los Seres Vivos

• Bioelementos Primarios: Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O), Nitrógeno (N), Azufre (S) y Fósforo (P). Constituyen aproximadamente el 96% de la masa de los seres vivos.
• Bioelementos Secundarios: Calcio (Ca), Magnesio (Mg), Sodio (Na), Potasio (K), Cloro (Cl) y Hierro (Fe). Presentes en proporciones menores, alrededor del 3.9%.
• Oligoelementos: Elementos como el Hierro (Fe), Cobre (Cu), Zinc (Zn), Manganeso (Mn), Yodo (I), entre otros, que se encuentran en cantidades muy pequeñas (menos del 0.1%), pero son esenciales para funciones vitales.

1.1. El Carbono: Base de la Química Orgánica

El átomo de Carbono (C) posee cuatro electrones en su capa más externa, lo que le permite formar cuatro enlaces covalentes estables. Puede unirse a otros átomos de carbono o a diferentes elementos, formando enlaces sencillos, dobles o triples. Esta versatilidad es fundamental para la formación de la gran diversidad de compuestos orgánicos.

1.2. Compuestos Orgánicos e Inorgánicos

Los compuestos orgánicos están principalmente formados por Carbono (C) e Hidrógeno (H), y a menudo incluyen Oxígeno (O), Nitrógeno (N), Azufre (S) y Fósforo (P). La combinación de bioelementos mediante enlaces químicos da lugar a las biomoléculas:

• Biomoléculas Inorgánicas:
  • Agua (H₂O)
  • Sales Minerales
• Biomoléculas Orgánicas:
  • Glúcidos (Carbohidratos)
  • Lípidos
  • Proteínas
  • Ácidos Nucleicos

El Agua: Disolvente Universal y Esencia de la Vida

2. Propiedades y Funciones del Agua (H₂O)

Cada molécula de agua (H₂O) está compuesta por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno.

2.1. Polaridad del Agua

Debido a la alta electronegatividad del oxígeno, los electrones de los átomos de hidrógeno se encuentran desplazados hacia el oxígeno. Esta distribución desigual de cargas en la molécula es conocida como polaridad. Gracias a esta polaridad, las moléculas de agua se unen entre sí mediante enlaces de hidrógeno, lo que confiere al agua propiedades únicas.

2.2. Funciones Biológicas Clave del Agua

• Principal Disolvente Biológico: Facilita la disociación de compuestos iónicos y su disolución, permitiendo que las reacciones químicas ocurran en un medio acuoso.
• Medio de Transporte: Actúa como vehículo para el transporte de moléculas y nutrientes en los organismos.
• Elevado Calor Específico: Debido al elevado número de enlaces de hidrógeno, el agua tiene una alta capacidad para absorber y liberar calor, lo que ayuda a regular la temperatura corporal.
• Densidad Máxima a 4°C: Su densidad máxima (1 g/cm³) se alcanza a 4°C. Por esta razón, el hielo flota, lo que evita la congelación total de masas de agua profundas y protege la vida acuática.

Sales Minerales: Estructura y Regulación

3. Funciones de las Sales Minerales

Las sales minerales pueden encontrarse en los seres vivos de dos formas principales:

• Sales Precipitadas: Desempeñan una función estructural, proporcionando consistencia y rigidez a tejidos como los huesos y caparazones.
• Sales Disueltas: Se disocian en aniones y cationes, que cumplen funciones reguladoras vitales, como el mantenimiento del equilibrio osmótico, la transmisión del impulso nervioso y la contracción muscular.

Glúcidos (Carbohidratos): Energía y Estructura

4. Clasificación y Funciones de los Glúcidos

4.1. Monosacáridos: Los Azúcares Simples

Son los glúcidos más sencillos, formados por cadenas de 3 a 7 átomos de carbono. Se clasifican según el número de carbonos:

• Pentosas: Como la ribosa (presente en el ARN) y la desoxirribosa (presente en el ADN).
• Hexosas: Como la glucosa (el azúcar más utilizado como fuente de energía en los seres vivos) y la fructosa.

4.2. Oligosacáridos: Uniones de Monosacáridos

Se forman por la unión de un número pequeño de monosacáridos (2 a 10) mediante un enlace covalente denominado enlace glucosídico, con la liberación de una molécula de agua.

• Disacáridos: Formados por la unión de dos monosacáridos. Ejemplos comunes incluyen:
  • Maltosa: Glucosa + Glucosa
  • Lactosa: Glucosa + Galactosa (azúcar de la leche)
  • Sacarosa: Glucosa + Fructosa (azúcar de mesa)

4.3. Polisacáridos: Macromoléculas Complejas

Son macromoléculas, polímeros construidos por la unión de muchas moléculas más pequeñas (monómeros), que en este caso son monosacáridos unidos por enlaces glucosídicos. Pueden ser lineales o ramificados:

• Polisacáridos Lineales:
  • Celulosa: Componente estructural esencial de la pared celular de las células vegetales.
  • Quitina: Conforma el exoesqueleto de los artrópodos y la pared celular de los hongos.
• Polisacáridos Ramificados:
  • Almidón: Principal reserva de azúcares en las plantas.
  • Glucógeno: Principal reserva de azúcares en los animales (se almacena en hígado y músculos).

Tanto el almidón como el glucógeno almacenan y proporcionan energía de forma eficiente.

Lípidos: Diversidad Estructural y Funcional

5. Tipos y Roles de los Lípidos

5.1. Grasas (Triglicéridos)

Son lípidos formados por un trialcohol, el glicerol, unido a una, dos o tres moléculas de ácidos grasos mediante enlaces covalentes de tipo éster. Se clasifican en:

• Grasas Saturadas: Abundan en los animales y suelen ser sólidas a temperatura ambiente (ej. mantequilla, sebo).
• Grasas Insaturadas: Son los aceites vegetales, líquidos a temperatura ambiente (ej. aceite de oliva, girasol).

Las grasas son la principal reserva energética en los animales. Además, pueden desempeñar una función protectora (amortiguando órganos) y de aislante térmico.

5.2. Fosfolípidos

Formados por una molécula de glicerol unida, por un lado, a un grupo fosfato y, por otro, a dos ácidos grasos. Presentan una estructura bipolar, con un extremo apolar (hidrófobo, “cola”) y otro polar (hidrófilo, “cabeza”).

En un medio acuoso, los fosfolípidos se asocian uniendo sus partes apolares y exponiendo al medio el extremo polar. Esta propiedad es fundamental, ya que los fosfolípidos constituyen la base estructural de las membranas celulares, formando la bicapa lipídica.

5.3. Esteroides

Son lípidos derivados de una estructura base de cuatro anillos de carbono fusionados (ciclopentanoperhidrofenantreno). Ejemplos importantes incluyen:

• Colesterol: Forma parte de las membranas celulares y les proporciona estabilidad y fluidez. Es precursor de otras moléculas importantes.
• Vitamina D: Regula la absorción de calcio y fósforo, esencial para la formación y mantenimiento de los huesos.
• Diversas Hormonas: Como las hormonas sexuales (estrógenos, testosterona) y las hormonas adrenocorticales, que tienen funciones reguladoras vitales en el organismo.

Proteínas: Versatilidad Funcional en la Célula

6. Estructura y Diversidad de Funciones Proteicas

6.1. Composición y Enlaces Peptídicos

Las proteínas son macromoléculas formadas por la unión de muchas subunidades llamadas aminoácidos, mediante enlaces peptídicos. Cada aminoácido está compuesto por un grupo amino (-NH₂), un grupo carboxilo (-COOH) y una cadena lateral (grupo R) específica, todos unidos a un átomo de carbono central denominado carbono alfa (α).

• Una cadena corta de aminoácidos se denomina péptido.
• Un polipéptido contiene centenares de aminoácidos.
• Una proteína puede estar formada por una o varias cadenas polipeptídicas plegadas en una estructura tridimensional específica.

6.2. Estructura Tridimensional y Desnaturalización

Las proteínas se pliegan y adquieren una estructura tridimensional compleja y específica, que es crucial para su función. La desnaturalización es la pérdida de esta estructura tridimensional, lo que conlleva la pérdida de sus propiedades biológicas y su función. Puede ser causada por cambios de temperatura, pH, o la presencia de ciertos químicos.

6.3. Funciones Biológicas de las Proteínas

Las proteínas realizan una asombrosa variedad de funciones en los seres vivos:

• Transporte: Transportan sustancias, como la hemoglobina que transporta oxígeno por la sangre.
• Defensa: Los anticuerpos (inmunoglobulinas) nos defienden de patógenos y neutralizan microorganismos que causan enfermedades.
• Movimiento: Proteínas como la actina y la miosina son esenciales para la contracción muscular.
• Estructural: Proporcionan soporte y elasticidad a tejidos. Ejemplos incluyen el colágeno (en huesos, piel, tendones) y la queratina (en uñas, pelo, plumas).
• Regulación: Muchas hormonas son proteínas (ej. hormona del crecimiento, insulina), modificando la actividad de las células.
• Catálisis (Enzimática): Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores biológicos, acelerando las reacciones químicas.
  • Ejemplo: La lactasa, una enzima que rompe el disacárido lactosa en glucosa y galactosa.
  • Las enzimas se unen a un reactivo específico llamado sustrato en una región conocida como centro activo, formando un complejo enzima-sustrato.
  • Las enzimas suelen nombrarse añadiendo el sufijo -asa al nombre del sustrato o la reacción que catalizan.

Ácidos Nucleicos: Almacenamiento y Transmisión de la Información Genética

7. ADN y ARN: Los Portadores de la Herencia

Los ácidos nucleicos son macromoléculas cuyas subunidades se denominan nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por tres componentes:

1. Pentosa: Un azúcar de cinco carbonos (desoxirribosa en el ADN o ribosa en el ARN).
2. Grupo Fosfato: Un grupo fosfato.
3. Base Nitrogenada: Una de las siguientes bases:
   • Adenina (A)
   • Guanina (G)
   • Citosina (C)
   • Timina (T) (solo en ADN)
   • Uracilo (U) (solo en ARN)

7.1. Tipos de Ácidos Nucleicos

• ADN (Ácido Desoxirribonucleico):
  • Se encuentra principalmente en el núcleo celular, formando parte de los cromosomas.
  • Contiene desoxirribosa y las bases nitrogenadas: Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) y Timina (T).
• ARN (Ácido Ribonucleico):
  • Se encuentra tanto en el núcleo como en el citoplasma celular.
  • Contiene ribosa y las bases nitrogenadas: Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) y Uracilo (U).
  • Existen diferentes tipos de ARN con funciones específicas:
    • ARN mensajero (ARNm): Lleva la información genética del ADN a los ribosomas.
    • ARN ribosómico (ARNr): Componente estructural de los ribosomas.
    • ARN de transferencia (ARNt): Transporta aminoácidos a los ribosomas durante la síntesis de proteínas.

7.2. Estructura y Función del ADN

El ADN consiste en dos cadenas helicoidales de polinucleótidos que se enrollan una alrededor de la otra, formando una doble hélice. Estas cadenas son antiparalelas (corren en direcciones opuestas).

La estructura del ADN es estable gracias a los enlaces de hidrógeno que se forman entre las bases nitrogenadas complementarias (A con T, C con G).

El ADN es el portador de la información hereditaria. Esta información está codificada en la secuencia de sus bases nitrogenadas. El ADN tiene la capacidad de replicarse o duplicarse, asegurando que la información genética se transmita fielmente a las células hijas. Además, utiliza esta información para dirigir la síntesis de ARN y, en última instancia, para elaborar sus propias proteínas, controlando así todas las funciones celulares.