¿Alguna vez te has preguntado qué diferencia la materia viva de la materia inerte? La respuesta se encuentra en su composición química. La materia viva está compuesta principalmente por un pequeño grupo de elementos químicos (átomos), conocidos como bioelementos. Los bioelementos se asocian, a su vez, para crear las moléculas básicas de las que se compone toda la materia viva. Estas moléculas se llaman biomoléculas.
- En este artículo estudiaremos las biomoléculas.
- A continuación, revisaremos la definición de bioelementos y biomoléculas.
- En seguida, veremos qué son las biomoléculas orgánicas e inorgánicas.
- También, aprenderemos acerca de los diferentes tipos de enlaces que se forman en las biomoléculas.
- Finalmente, exploraremos los tipos de biomoléculas más importantes: Los glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucléicos.
¿Qué son los bioelementos?
Los bioelementos son los elementos químicos que componen la materia viva.
Los bioelementos constituyen las biomoléculas, por lo que son esenciales para la vida.
La proporción de cada bioelemento en la materia viva es diferente. De acuerdo con esta proporción, los bioelementos se clasifican en tres:
Fig. 1: Los bioelementos se clasifican en primarios, secundarios y oligoelementos. Los porcentajes en negro indican la proporción aproximada de estos elementos químicos dentro de los seres vivos.
- Bioelementos primarios: Son aquellos elementos químicos más abundantes en los seres vivos. Incluyen el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre.
- Bioelementos secundarios: Son aquellos elementos químicos que se encuentran en menor cantidad que los bioelementos primarios, pero que también son esenciales para los seres vivos. Estos bioelementos incluyen el calcio, sodio, potasio, cloro y magnesio.
- Oligoelementos: Son elementos químicos que aunque se requieren en cantidades pequeñas, son vitales para muchas funciones celulares. Estos oligoelementos incluyen el hierro, cobre, zinc, yodo y flúor, entre otros.
Para aprender más sobre bioelementos lee nuestro artículo dedicado a este tema.
¿Qué son las biomoléculas?
Las biomoléculas son las moléculas químicas que componen la materia viva.
Las biomoléculas están presentes en los seres vivos. Estas moléculas están constituidas por los bioelementos y cumplen diversas funciones en las células y los organismos, desde el almacenamiento y transporte de energía hasta la conformación de estructuras celulares y de la información genética y la catálisis de reacciones químicas.
Dependiendo de su contenido de carbono, las biomoléculas se clasifican en:
- Biomoléculas orgánicas: su estructura química fundamental es un esqueleto compuesto por átomos de carbono.
- Biomoléculas inorgánicas: no poseen átomos de carbono en su estructura o, cuando los poseen, estos no forma esqueletos ni están presentes en proporciones considerables.
Las biomoléculas más grandes reciben el nombre de macromoléculas.
Biomoléculas orgánicas
Las
biomoléculas orgánicas contienen como bioelemento principal el carbono. También, pueden contener otros bioelementos primarios como hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo o azufre. Es posible que, en algunos casos, las biomoléculas se denominen
compuestos orgánicos. Esto se debe, de nuevo, a que el carbono es su
columna vertebral.
Compuesto orgánico: un compuesto que, en general, contiene carbono unido covalentemente a otros átomos, especialmente carbono-carbono (CC) y carbono-hidrógeno (CH).
Al servir de columna vertebral, el carbono es el elemento más importante en las biomoléculas. Puede que hayas oído que el carbono es la base de la vida, o que toda la vida en la Tierra depende del carbono. Esto se debe a la función del carbono como bloque de construcción esencial para los compuestos orgánicos.
Observa la figura 1, que muestra una molécula de glucosa. La glucosa está compuesta por átomos de carbono, oxígeno e hidrógeno. Fíjate en que el carbono está en el centro (más exactamente cinco átomos de carbono y uno de oxígeno), formando la base de la molécula.
Fig. 2: La glucosa está compuesta de átomos de carbono, oxígeno, e hidrógeno. El carbono sirve como el esqueleto de la molécula (sus átomos han sido omitidos para simplicidad).
Por último, las biomoléculas orgánicas, dependiendo de su complejidad y estructura, se clasifican en monómeros y polímeros. Para más información, consulta nuestro artículo Monómeros y polímeros.
Biomoléculas inorgánicas
Las biomoléculas inorgánicas son moléculas que forman parte de la materia viva, pero no contienen como bioelemento principal el carbono. El agua o las sales minerales son ejemplos de biomoléculas inorgánicas.
Las biomoléculas inorgánicas son igual de importantes que las biomoléculas orgánicas. De hecho, el agua es un componente esencial para la vida, con multitud de funciones y que en los humanos representa más del 50% de lo que estamos hechos.
Si quieres saber más, échale un vistazo a nuestro artículo Moléculas de agua.
Enlaces químicos de las biomoléculas
Hay tres enlaces químicos importantes en las biomoléculas: los enlaces covalentes, los enlaces de hidrógeno y los enlaces iónicos.
Antes de explicar cada uno de ellos, es importante recordar la estructura de los átomos que constituyen los bloques de construcción de las moléculas.
Fig. 3: Estructura atómica del carbono.
El núcleo es una masa de neutrones y protones. Los neutrones no tienen carga eléctrica, mientras que los protones tienen carga positiva. Por tanto, en general, el núcleo tendrá una carga positiva.
Los electrones orbitan alrededor del núcleo y tienen una carga negativa.
¿Por qué es importante esto? Es útil saber que los electrones tienen carga negativa y que orbitan alrededor del núcleo para entender cómo se unen las distintas moléculas a nivel atómico.
Enlaces covalentes
El enlace covalente es el que se encuentra con más frecuencia en las biomoléculas.
En el enlace covalente, los átomos comparten electrones con otros átomos, formando enlaces simples, dobles o triples.
El tipo de enlace depende de cuántos pares de electrones se comparten. Por ejemplo, un enlace simple significa que se comparte un solo par de electrones, etc.
Fig. 4:. Ejemplos de enlaces simples, dobles y triples.
El enlace simple es el más débil de los tres, mientras que el triple es el más fuerte.
Recuerda que los enlaces covalentes son muy estables, por lo que incluso el enlace simple es mucho más fuerte que cualquier otro enlace químico en las biomoléculas.
Cuando estudies las biomoléculas te encontrarás con moléculas polares y apolares, que tienen enlaces covalentes polares y apolares, respectivamente. En las moléculas polares, los electrones no están distribuidos uniformemente; por ejemplo, en una molécula de agua. En las moléculas apolares, los electrones están distribuidos uniformemente.
La mayoría de las biomoléculas orgánicas son apolares. Entre las biomoléculas polares encontramos el agua y los azúcares (glúcidos simples). También podemos encontrar ciertas partes de otras biomoléculas, como la columna vertebral del ADN y el ARN, que está compuesta por las pentosas (moléculas de azúcar) desoxirribosa o ribosa.
¿Te interesa la parte química? Para más detalles sobre los enlaces covalentes, explora el artículo sobre enlace covalente dativo en la sección de química.
La importancia del enlace covalente entre carbonos
El carbono puede formar no solo uno, sino cuatro enlaces covalentes con los átomos. Esta capacidad permite la formación de grandes cadenas de compuestos de carbono, que son muy estables, ya que los enlaces covalentes son los más fuertes. También se pueden formar estructuras ramificadas y algunas moléculas forman anillos que pueden unirse entre sí.
Esto es muy importante, puesto que las diferentes funciones de las biomoléculas dependen de su estructura.
Gracias al carbono, las moléculas grandes (macromoléculas) que son estables (debido a los enlaces covalentes) son capaces de construir células, facilitar diferentes procesos y, en general, constituir toda la materia viva.
Fig. 5: Ejemplos de enlaces de carbono en moléculas con estructuras de anillo y de cadena.
Enlaces iónicos
Los enlaces iónicos se forman cuando se transfieren electrones entre átomos. Si los comparas con el enlace covalente, en este los electrones se comparten entre los dos átomos enlazados, mientras que en el enlace iónico los electrones se transfieren de un átomo a otro.
Te encontrarás con enlaces iónicos al estudiar las proteínas, ya que son importantes en la estructura de las mismas. Para leer más sobre los enlaces iónicos, consulta el artículo Enlace iónico.
Enlaces de hidrógeno
Los enlaces de hidrógeno se forman entre una parte cargada positivamente de una molécula y una parte cargada negativamente de otra.
Tomemos como ejemplo las moléculas de agua. Después de que el oxígeno y el hidrógeno hayan compartido sus electrones y se hayan unido covalentemente para formar una molécula de agua, el oxígeno tiende a robar más electrones (el oxígeno es más electronegativo), lo que deja al hidrógeno con una carga positiva. Esta distribución desigual de electrones hace que el agua sea una molécula polar. El hidrógeno (+) es, entonces, atraído por los átomos de oxígeno cargados negativamente de otra molécula de agua (-).
Los enlaces de hidrógeno individuales son débiles —de hecho, son más débiles que los enlaces covalentes e iónicos—, pero son fuertes cuando están en grandes cantidades. Encontrarás enlaces de hidrógeno entre las bases de los nucleótidos en la estructura de doble hélice del ADN. Por tanto, los enlaces de hidrógeno son importantes en las moléculas de agua.
Fig. 6: Enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua.
Tipos de biomoléculas
Los tipos de biomoléculas son los carbohidratos (hidratos de carbono) o glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos, los cuales están compuestos principalmente por átomos de carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N).
Los diferentes tipos de biomoléculas tienen propiedades químicas y estructurales únicas que les permiten llevar a cabo una gran variedad de funciones complejas y especializadas para mantener la vida.
Veamos estas biomoléculas y sus características principales:
| Tipos de biomoléculas | Monómeros o unidades | Clasificación | Ejemplos | Elementos principales |
| Glúcidos o Carbohidratos (azúcares) | Monosacáridos | Monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos, polisacáridos | Glucosa, fructosa, sacarosa, maltosa, almidón, celulosa, quitina, glicógeno. | C, H, O |
| Lípidos (grasas, aceites y ceras) | Ácidos grasos, glicerol | Ácidos grasos, fosfolípidos, esteroides, triglicéridos | Ácido oleico, fosfatidilcolina, esfingomielina, ácido palmítico, ceramidas | C, H, O |
| Proteínas | Aminoácidos | Fibrosas o globulares, simples o conjugadas | Queratina, hemoglobina, actina, colágeno, histonas, caseína, ferritina | C, H, O, N, S |
| Ácidos nucleicos | Nucleótidos | ADN, ARN | Adenina, citosina, guanina, timina, uracilo | C, H, O, N, P |
Tabla 1. Biomoléculas: Tipos de biomoléculas.
Existen otros tipos de moléculas consideradas biomoléculas, como las vitaminas. Estas son sustancias orgánicas necesarias en pequeñas cantidades para el correcto funcionamiento del organismo, y se clasifican como micronutrientes esenciales
Los cuatro tipos de biomoléculas comparten similitudes en su estructura y función, pero presentan diferencias que son cruciales para el funcionamiento normal de los organismos vivos. Una de sus características principales es que su estructura afecta su función.
A continuación, vamos a profundizar en cada una de ellas.
Glúcidos o Carbohidratos
Los glúcidos o carbohidratos son biomoléculas que se utilizan como fuente de energía. Son especialmente importantes para el funcionamiento normal del cerebro y para la respiración celular.
Hay tres tipos de carbohidratos: monosacáridos, disacáridos y polisacáridos.
- Los monosacáridos están compuestos por una molécula de azúcar (mono significa "uno"), como la glucosa.
- Los disacáridos están compuestos por dos moléculas de azúcar (di- significa "dos"); como la sacarosa (azúcar de la fruta), que está compuesta por glucosa y fructosa (zumo de fruta).
- Los polisacáridos (poli significa "muchos") están compuestos por muchas moléculas más pequeñas (monómeros) de glucosa, es decir, monosacáridos individuales. Tres polisacáridos muy importantes son el almidón, el glucógeno y la celulosa.
Los enlaces químicos en los glúcidos son enlaces covalentes llamados enlaces glucosídicos o glicosídicos, que se forman entre los monosacáridos. También encontrarás aquí enlaces de hidrógeno, que son importantes en la estructura de los polisacáridos.
Los carbohidratos son la principal fuente de energía para nuestro cerebro y sistema nervioso central. Aunque otros tejidos pueden utilizar grasas y proteínas para obtener energía, el cerebro depende casi exclusivamente de la glucosa derivada de los carbohidratos para su funcionamiento.
Lípidos
Los lípidos son biomoléculas que sirven para almacenar energía, construir células y proporcionar aislamiento y protección.
Hay dos tipos principales: los triglicéridos y los fosfolípidos.
- Los triglicéridos están formados por tres ácidos grasos y glicerol (un alcohol). Los ácidos grasos de los triglicéridos pueden ser saturados o insaturados.
- Los fosfolípidos están compuestos por dos ácidos grasos, un grupo fosfato y glicerol.
Los enlaces químicos en los lípidos son enlaces covalentes llamados enlaces éster, que se forman entre los ácidos grasos y el glicerol.
Las grasas saturadas, como las que se encuentran en la manteca, la carne roja y los lácteos enteros, han sido asociadas con un mayor riesgo de enfermedades cardíacas, ya que pueden aumentar el colesterol LDL (también conocido como "colesterol malo") en la sangre. Mientras que las grasas insaturadas, como las que se encuentran en el aceite de oliva, el aguacate, los frutos secos y el pescado graso, se han relacionado con muchos beneficios para la salud, incluyendo una reducción del riesgo de enfermedades cardíacas y una mejora en la salud cerebral.
Proteínas
Las proteínas son biomoléculas con diversas funciones. Son los bloques de construcción de muchas estructuras celulares y realizan funciones metabólicas, al actuar como enzimas, mensajeros y hormonas.
Los monómeros de las proteínas son los aminoácidos. Las proteínas se presentan en cuatro estructuras diferentes:
- Estructura proteica primaria
- Estructura proteica secundaria
- Estructura proteica terciaria
- Estructura proteica cuaternaria
Los enlaces químicos primarios en las proteínas son enlaces covalentes llamados enlaces peptídicos, que se forman entre los aminoácidos. También te encontrarás con otros tres enlaces que son importantes en la estructura terciaria de las proteínas: los enlaces de hidrógeno, los enlaces iónicos y los puentes de disulfuro.
Puedes encontrar más información sobre este tema en nuestro artículo Estructura proteica.
Hay más de 20 aminoácidos diferentes que se pueden combinar para formar proteínas. Estos aminoácidos tienen diferentes propiedades químicas y estructurales que determinan la forma y función de las proteínas en los seres vivos.
Ácidos nucleicos
Los ácidos nucleicos son biomoléculas que llevan la información genética en todos los seres vivos y los virus. Así, dirigen la síntesis de las proteínas.
Hay dos tipos de ácidos nucleicos: El ADN y el ARN.
- El ADN y el ARN están formados por unidades más pequeñas (monómeros) llamadas nucleótidos. Un nucleótido está formado por tres partes: un azúcar (pentosa), una base nitrogenada y un grupo fosfato.
- El ADN y el ARN están perfectamente empaquetados dentro del núcleo de una célula.
Los enlaces químicos primarios en los ácidos nucleicos son enlaces covalentes llamados enlaces fosfodiéster, que se forman entre los nucleótidos. También encontrarás enlaces de hidrógeno, que se forman entre las cadenas de ADN.
Si quieres profundizar en este tema, puedes leer nuestro artículo ADN y ARN.
Al ADN de un organismo de le denomina genoma. La secuenciación del genoma humano tardó más de 10 años y costó miles de millones de dólares. Hoy en día, gracias a la tecnología de secuenciación de nueva generación, es posible secuenciar un genoma humano completo en unas pocas semanas y a un costo significativamente menor. Esto ha permitido avances en la medicina personalizada y en la investigación en genética.
Biomoléculas - Puntos clave
- Las biomoléculas son los componentes fundamentales de las células de los organismos vivos.
- Hay tres enlaces químicos importantes en las biomoléculas: enlaces covalentes, enlaces de hidrógeno y enlaces iónicos.
- Las biomoléculas pueden ser polares o no polares.
- Las cuatro principales biomoléculas son los glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos.
- Los glúcidos están compuestos por monosacáridos, los lípidos por ácidos grasos y glicerol, las proteínas por aminoácidos y los ácidos nucleicos por nucleótidos.
- Los enlaces químicos en los glúcidos son enlaces glucosídicos y de hidrógeno; en los lípidos, son enlaces éster; en las proteínas, encontramos enlaces peptídicos, de hidrógeno y iónicos, así como puentes disulfuro; mientras que en los ácidos nucleicos hay enlaces fosfodiéster y de hidrógeno.
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