Fundamentos de bioquímica, macromoléculas y membranas biológicas

BLOQUE I: BIOMOLÉCULAS Y MEMBRANAS BIOLÓGICAS

TEMA 1. MACROMOLÉCULAS Y MEMBRANAS BIOLÓGICAS

Fundamentos de Bioquímica y Glúcidos: Explicación Integrada

Bases Químicas de la Bioquímica

La bioquímica se fundamenta en los principios de la química orgánica, especialmente en la estructura atómica, la distribución electrónica y la reactividad de los grupos funcionales. Los bioelementos más importantes (C, H, O, N, P, S) forman enlaces covalentes estables lo que permite la formación de biomoléculas complejas. Estas biomoléculas se agrupan en cuatro grandes familias: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. La organización electrónica de los átomos, regida por los principios de Aufbau, Pauli y Hund, determina su reactividad y capacidad de formar enlaces. Los orbitales atómicos definen las regiones donde es más probable encontrar electrones, y su disposición da lugar a la tabla periódica. Los elementos se combinan formando moléculas mediante enlaces covalentes, iónicos, metálicos o interacciones débiles como puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals e interacciones hidrofóbicas, fundamentales en la estructura de las macromoléculas.

El Agua como Disolvente Biológico

El agua es el disolvente biológico por excelencia. Es el medio en el que ocurren todas las reacciones bioquímicas. Su estructura angular y polaridad permiten la formación de puentes de hidrógeno, lo que le confiere propiedades únicas como alto calor específico, elevada tensión superficial y capacidad disolvente. La autoionización del agua (H2O = H+ + OH") y la formación del ion hidronio (H3O+) son fundamentales para entender el concepto de pH, que se define como el logaritmo negativo de la concentración de protones. Las soluciones biológicas mantienen su pH mediante sistemas tampón, como el tampón acético/acetato o el tampón fosfato. La ecuación de Henderson- Hasselbalch permite calcular el pH de una disolución tampón a partir del pKa y las concentraciones relativas de ácido y base conjugada.

Reactividad de las Biomoléculas

Se destacan los principales tipos de reacciones bioquímicas: sustitución, adición, eliminación, oxidación-reducción e hidrólisis. Estas reacciones ocurren en sitios específicos de las biomoléculas, definidos por sus grupos funcionales. En particular, se mencionan enlaces clave como el O-glucosídico, el peptídico y el fosfodiéster, que son fundamentales en la formación de polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos, respectivamente.

1.1 Hidratos de Carbono (Glúcidos)

Estructura y Clasificación de Glúcidos

Los glúcidos son compuestos orgánicos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno, con fórmula general (CH2O)n. Son polihidroxialdehídos o cetonas y se clasifican en:

• Monosacáridos: una sola unidad (ej. glucosa, galactosa, fructosa). 1

1. Oligosacáridos: 2 a 10 unidades (ej. sacarosa, lactosa).

• Polisacáridos: más de 10 unidades (ej. almidón, glucógeno, celulosa).

Los monosacáridos pueden ser aldosas (grupo aldehído) o cetosas (grupo cetona), y presentan isomería óptica debido a la presencia de carbonos quirales. La D-glucosa es el monosacárido más abundante y biológicamente relevante. G

Ciclación y Anomería de Monosacáridos

En disolución acuosa, los monosacáridos forman estructuras cíclicas (piranosas o furanosas) mediante la formación de hemiacetales o hemicetales. Esto genera un nuevo carbono quiral, el carbono anomérico, que da lugar a dos formas: a y B. La mutarrotación es el proceso por el cual estas formas se interconvierten en solución.

Modificaciones de Monosacáridos

Los monosacáridos pueden sufrir diversas modificaciones:

• Oxidación: formación de ácidos como el glucurónico.
• Reducción: formación de azúcares alcohol como el sorbitol.
• Esterificación: formación de azúcares fosfato (ej. glucosa-6-fosfato).
• Aminación: formación de aminoazúcares como la glucosamina.

Estas modificaciones son esenciales para su función biológica, ya que permiten su incorporación en rutas metabólicas, estructuras celulares o procesos de señalización.

Oligosacáridos y Enlaces Glucosídicos

Los disacáridos se forman por enlaces O-glucosídicos entre el carbono anomérico de un monosacárido y un grupo hidroxilo de otro. Según los carbonos implicados, pueden ser:

• Monocarbonílicos: un solo carbono anomérico participa (ej. maltosa, lactosa). Son azúcares reductores.
• Dicarbonílicos: ambos carbonos anoméricos participan (ej. sacarosa, trehalosa). Son no reductores.

Polisacáridos de Reserva y Estructurales

• Almidón (vegetales): mezcla de amilosa (lineal) y amilopectina (ramificada).
• Glucógeno (animales): similar a la amilopectina pero más ramificado.
• Celulosa: polímero lineal de glucosa con enlaces B(1->4), insoluble y estructural.
• Quitina: similar a la celulosa, pero con N-acetilglucosamina. 2

Heteropolisacáridos y Glucosaminoglucanos (GAGs)

Los GAGs son polisacáridos formados por unidades disacáridas repetidas, que incluyen aminoazúcares y ácidos urónicos. Ejemplos:

• Ácido hialurónico: lubricación y soporte.
• Condroitín sulfato: cartílago.
• Heparina: anticoagulante.

GAG Unidad disacárido Localización Función Ácido hialurónico N-acetilglucosamina + Ácido glucurónico Tejidos conectivos, articulaciones, humor vítreo Lubricación y amortiguación Condroitin sulfato N-acetilgalactosamina-4/6- sulfato + Ácido glucurónico Cartílago, piel, vasos sanguíneos Elasticidad y resistencia mecánica Queratan sulfato N-acetilglucosamina-6- sulfato + Galactosa Córnea, cartílago, discos intervertebrales Transparencia corneal y resistencia mecánica Dermatán sulfato N-acetilgalactosamina-4- sulfato + Ácido idurónico Piel, válvulas cardíacas, tendones Regula coagulación y reparación de tejidos Heparina Glucosamina-N-sulfato + Ácido idurónico-2-sulfato Mastocitos, hígado, pulmones Regula coagulación y reparación de tejidos

Glucoconjugados

Los glúcidos pueden unirse covalentemente a proteínas o lípidos formando:

• Proteoglucanos: proteínas + GAGs. Función estructural en matriz extracelular.
• Glucoproteínas: proteínas + oligosacáridos. Función en señalización y reconocimiento.
• Glucolípidos: lípidos + oligosacáridos. Función en reconocimiento celular.

Estas uniones pueden ser O-glucosídicas (con Ser/Thr) o N-glucosídicas (con Asn), y su modificación en el retículo endoplasmático y aparato de Golgi determina el destino y función de la proteína. Tipo Composición Ejemplos Función Proteoglucanos Polisacáridos sulfatados (GAGs) unidos a proteínas Decorina, aggrecano Soporte estructural en matriz extracelular Glucoproteínas Carbohidratos unidos a proteínas Receptores de membrana, anticuerpos, hormonas Señalización, adhesión celular Glucolípidos Carbohidratos unidos a lípidos de membrana Gangliósidos, cerebrósidos Comunicación y reconocimiento celular

1.2 LÍPIDOS

1. Introducción a los Lípidos

Los lípidos son biomoléculas orgánicas insolubles en agua (hidrofóbicas), químicamente muy diversas y con funciones biológicas fundamentales. Actúan como reserva energética (triacilglicéridos), componentes estructurales de membranas (fosfolípidos y esfingolípidos), 3aislantes térmicos, protectores mecánicos y precursores de hormonas, vitaminas y moléculas señalizadoras. Se clasifican en dos grandes grupos según su capacidad de formar jabones (saponificación):

• Lípidos saponificables: contienen ácidos grasos unidos por enlaces éster o amida. Incluyen acilglicéridos, fosfolípidos, esfingolípidos y ceras.
• Lípidos insaponificables: no contienen ácidos grasos. Incluyen terpenos, esteroides, eicosanoides y vitaminas liposolubles. DOT

2. Ácidos Grasos

Los ácidos grasos son moléculas formadas por una larga cadena hidrocarbonada y un grupo carboxilo terminal (-COOH). Se clasifican en:

• Saturados: sin dobles enlaces. Ej .: ácido esteárico (18:0).
• Insaturados: con uno o más dobles enlaces. Ej .: ácido oleico (18:1 49), ácido linoleico (18:2 49,12), ácido linolénico (18:3 49,12,15).

Los dobles enlaces suelen tener configuración cis, lo que introduce una torsión en la cadena y disminuye el punto de fusión. Los ácidos grasos trans, presentes en alimentos procesados, se asocian a efectos negativos sobre la salud cardiovascular. La nomenclatura sistemática se basa en el número de carbonos y dobles enlaces. Por ejemplo, el ácido palmítico (16:0) es el ácido hexadecanoico.

3. Lípidos Saponificables

3.1 Acilglicéridos

Son ésteres formados por la unión de uno, dos o tres ácidos grasos al glicerol:

• Monoacilglicéridos
• Diacilglicéridos
• Triacilglicéridos: principal forma de almacenamiento energético en animales y plantas.

La saponificación es la hidrólisis de estos ésteres en presencia de una base fuerte (NaOH o KOH), generando glicerol y sales de ácidos grasos (jabones).

3.2 Fosfoglicéridos

Están compuestos por:

• Glicerol
• Dos ácidos grasos (uno saturado y otro insaturado)
• Un grupo fosfato unido a una cabeza polar (colina, etanolamina, serina, inositol)

Ejemplos y funciones: 4Fosfoglicérido Cabeza polar Función principal Fosfatidilcolina (PC) Colina Estructura y fluidez de membranas (hoja externa) Fosfatidiletanolamina (PE) Etanolamina Flexibilidad y fusión de membranas Fosfatidilserina (PS) Serina Señalización celular y apoptosis Fosfatidilinositol (PI) Inositol Iniciador de rutas de señalización Cardiolipina 2 fosfatidilgliceroles Específica de la membrana mitocondrial interna, esencial para la cadena respiratoria

3.3 Esfingolípidos

Formados por:

• Esfingosina (aminoalcohol de cadena larga)
• Ácido graso unido por enlace amida -> forman una ceramida
• Cabeza polar (grupo fosfato o azúcares)

Tipos:

• Esfingomielinas: contienen fosfocolina o fosfoetanolamina. Componente clave de la mielina en neuronas.
• Glucoesfingolípidos:
• Cerebrósidos: ceramida + 1 azúcar (ej. galactosa)
• Globosidos: ceramida + varios azúcares neutros
• Gangliósidos: ceramida + oligosacáridos con ácido siálico. Participan en señalización y reconocimiento celular.

Los glucoesfingolípidos también determinan los grupos sanguíneos (A, B, 0) según las modificaciones en el antígeno H. Tipo de Esfingolipido Grupo polar Ejemplo Función Esfingomielinas Grupo fosfato (colina o etanolamina) Esfingomielina Componente de la mielina en neuronas, importante en la transmisión nerviosa Glucolípidos neutros (Cerebrósidos y Globósidos) Monosacárido o disacárido Galactocerebrósido, Glucocerebrosido Abundantes en el cerebro, papel en el reconocimiento celular Gangliósidos Oligosacáridos con ácido siálico GM1, GM2, GM3 Intervienen en señalización celular y comunicación neuronal

3.4 Ceras

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