Monómeros y polímeros

Como ya hemos explicado en nuestro artículo sobre biomoléculas, estas son los componentes básicos de los seres vivos y poseen numerosas funciones esenciales para la vida. La mayoría de las biomoléculas están formadas por monómeros que se unen para formar polímeros. A continuación nos adentramos en el mundo de los monómeros y polímeros naturales que las constituyen.

• En este artículo veremos qué son los monómeros y los polímeros.
• Asimismo, revisaremos los monómeros y los polímeros de las biomoléculas más importantes: Los glúcidos o carbohidratos, las proteínas y los ácidos nucleicos. También, aprenderemos por qué los lípidos son una excepción.
• Seguidamente, repasaremos algunos ejemplos de monómeros y polímeros.
• Finalmente, aprenderemos cómo se forman los polímeros a partir de los monosacáridos, mediante el proceso de polimerización.

¿Qué es un monómero?

Un monómero es una molécula de bajo peso molecular que tiene la capacidad de unirse químicamente con otras moléculas similares para formar una molécula de gran peso molecular llamada polímero. El término "monómero" proviene del griego mono-, que significa "uno", y -meros, que significa "parte". Por lo tanto, la palabra "monómero" se refiere a una "parte única" o unidad básica repetitiva de un polímero.

¿Qué es un polímero?

Los polímeros son moléculas de alto peso molecular formadas por monómeros que se unen entre sí a través de un proceso llamado polimerización. El término "polímero" proviene del griego polys-, que significa "muchos", y -meros, que significa "partes". Por lo tanto, la palabra "polímero" se refiere a una sustancia compuesta por muchas partes.

Fig. 1: Los monómeros son unidades químicas simples y los polímeros son cadenas largas formadas por la repetición de monómeros. La polimerización es el proceso por el cual los monómeros se unen para formar polímeros.

Polímeros naturales

Los polímeros naturales son macromoléculas que se encuentran en la naturaleza y están compuestos por unidades repetitivas de monómeros que se unen mediante enlaces químicos. Estos polímeros se producen de manera natural en los organismos de todos los reinos de los seres vivos y desempeñan una gran variedad de funciones biológicas vitales. Algunos polímeros de importancia que podemos encontrar en animales, plantas y hongos son:

• Animales:
  • Ácido poliglutámico: un polímero de ácido glutámico que se encuentra en las cáscaras de los huevos de algunos animales.
  • Actina y miosina: proteínas que se encuentran en los músculos de los animales.
  • Condroitín sulfato: un polisacárido que se encuentra en el cartílago y otros tejidos conectivos de los animales.
  • Elastina: presente en los tejidos elásticos del cuerpo, como la piel y los vasos sanguíneos.
  • Fibrina: una proteína que forma coágulos sanguíneos. Proteínas de seda de araña: producidas por ciertas especies de arañas para construir sus telarañas.
  • Queratina: se encuentra en el pelo, las uñas, las plumas y las escamas de los animales.
  • Seda: producida por ciertos insectos y arácnidos para construir sus telarañas o capullos.
• En plantas:
  • Cutina: un polímero que recubre las hojas y tallos de las plantas y ayuda a reducir la pérdida de agua.
  • Goma arábiga: un polisacárido utilizado como emulsionante y estabilizador en la industria alimentaria.
  • Hemicelulosa: presente en las paredes celulares de las plantas y actúa como un agente de unión para la celulosa y la lignina.
  • Inulina: un polisacárido de reserva que se encuentra en las raíces de ciertas plantas.
  • Latex: una emulsión acuosa que contiene proteínas y polisacáridos que se encuentra en ciertas plantas.
  • Lignina: un polímero complejo que fortalece las paredes celulares de las plantas y las hace más rígidas.
  • Pectina: presente en las paredes celulares de las plantas y actúa como un agente espesante y gelificante.
  • Zeína: una proteína que se encuentra en el maíz y se utiliza como un material biodegradable.

• En hongos:

  • Ácido fúlvico: un polímero que se encuentra en algunos hongos y tiene propiedades antioxidantes y antiinflamatorias.
  • Ergosterol: un esterol presente en la membrana celular de los hongos y es esencial para su supervivencia.
  • Glucanos: polisacáridos que se encuentran en las paredes celulares de los hongos y se utilizan en la industria alimentaria y farmacéutica.
  • Mannano: un polisacárido que se encuentra en las paredes celulares de algunos hongos.
  • Melanina: un polímero que se encuentra en la pared celular y en los cuerpos fructíferos de los hongos y tiene propiedades antioxidantes.
  • Micelio: una red de filamentos que forman la estructura de los hongos y actúan como una fuente de nutrientes.
  • Polihidroxialcanoatos (PHA): polímeros que se encuentran en algunos hongos y se utilizan como materiales biodegradables.
  • Quitosano: derivado de la quitina y se utiliza como una alternativa natural al plástico.

Los tres tipos más importantes de monómeros y polímeros naturales son:

Tabla 1: Tipos de monómeros y polímeros naturales

Ahora, veamos cada uno de estos monómeros y polímeros correspondientes.

Monómeros y polímeros de los glúcidos

Monosacáridos

Los monosacáridos son moléculas orgánicas. Contienen átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno. Algunos ejemplos son la glucosa, la fructosa, la galactosa, la ribosa (presente en el ARN) y la desoxirribosa (presente en el ADN).

La figura 1 muestra las estructuras de anillo de cada uno de los monosacáridos mencionados.

Cuando los monosacáridos se unen, forman polímeros que se denominan polisacáridos (glúcidos). Por esta razón, los monosacáridos son los monómeros de glúcidos, como el almidón y la celulosa.

Polisacáridos

Los polisacáridos son polímeros compuestos por múltiples monosacáridos. Tres ejemplos de polisacáridos son: almidón, glucógeno y celulosa. Los tres están compuestos por unidades repetidas de glucosa.

La figura 2 muestra la compleja estructura ramificada del polisacárido glucógeno. Los círculos individuales que se repiten son moléculas de glucosa.

Monómeros y polímeros de las proteínas

Aminoácidos

Los aminoácidos son los componentes básicos de los polipéptidos (proteínas). Por ello, los aminoácidos son los monómeros de proteínas como la hemoglobina y la insulina.

Los aminoácidos también son moléculas orgánicas. Contienen carbono e hidrógeno, pero también oxígeno y nitrógeno. Los aminoácidos están formados por:

• un átomo de carbono central (carbono alpha)
• un grupo amino
• un grupo carboxilo
• un grupo R orgánico, que es único para cada aminoácido.

Algunos ejemplos de aminoácidos son la alanina y la valina. Existen en total 20 aminoácidos distintos que forman parte de las proteínas, y se denominan aminoácidos proteicos.

Polipéptidos

Los polipéptidos están compuestos por monómeros de aminoácidos. Las proteínas son polipéptidos. Algunos ejemplos de polipéptidos son la hemoglobina, la insulina y la queratina.

Observa la figura 4, que ilustra la estructura primaria de una proteína (un polipéptido). Al igual que en la figura 2, los círculos individuales representan aminoácidos.

Monómeros y polímeros de los ácidos nucleicos

Nucleótidos

Los nucleótidos se unen para formar polinucleótidos (ácidos nucleicos). Por lo tanto, los nucleótidos son monómeros de ácidos nucleicos (ADN y ARN).

Los nucleótidos también son moléculas orgánicas, ya que contienen carbono e hidrógeno. También contienen oxígeno, hidrógeno y de uno a tres fosfatos. Los nucleótidos están formados por una pentosa (un azúcar de cinco carbonos), que está unida a una base nitrogenada y a un grupo fosfato. Los nucleótidos del ADN tienen como pentosa la desoxirribosa, mientras que los del ARN tienen ribosa.

La figura 5 ilustra una estructura simplificada de un nucleótido. Observa el enlace fosfodiéster en el tercer átomo de carbono que lo une al siguiente nucleótido de la cadena.

Polinucleótidos

Los polinucleótidos están compuestos por monómeros de nucleótidos. Los ácidos nucleicos son polinucleótidos. Biológicamente, los polinucleótidos más esenciales son el ADN y el ARN .

Estudiemos la siguiente imagen. Muestra una parte de la estructura del ADN. ¿Puedes identificar los nucleótidos individuales?

¿Qué pasa con los lípidos?

Los lípidos no tienen monómeros definidos, ya que no son polímeros formados por la repetición de unidades estructurales similares. En lugar de eso, los lípidos son moléculas complejas formadas por una variedad de componentes, como ácidos grasos, glicerol, fosfatos, esteroides, ceras y otros.

Sin embargo, los ácidos grasos y el glicerol son componentes clave de muchos lípidos, como los triglicéridos y los fosfolípidos. En los triglicéridos, tres moléculas de ácidos grasos se unen a una molécula de glicerol mediante enlaces éster, mientras que en los fosfolípidos, dos moléculas de ácidos grasos se unen a una molécula de glicerol y un grupo fosfato.

Ejemplos de monómeros y polímeros

A continuación, te presentamos algunos ejemplos de polímeros naturales con sus correspondientes monómeros:

Tabla 2: Ejemplos de monómeros y polímeros

Formación de polímeros

Los monómeros se unen mediante enlaces químicos para formar polímeros. Este proceso se llama polimerización.

Dos reacciones diferentes forman y rompen los polímeros: la reacción de condensación y la reacción de hidrólisis. Veamos, en un diagrama, cómo son estas dos reacciones.

La figura 7 ilustra, de manera simplificada, cómo las reacciones de condensación e hidrólisis forman y rompen polímeros. Observa la adición y la eliminación de moléculas de agua.

Reacciones de condensación

Como se ve en la Figura 7, los monómeros deben unirse para que se forme un polímero. Los monómeros se unen mediante enlaces químicos llamados enlaces covalentes. Estos enlaces se forman con la ayuda del agua, que se elimina durante la reacción de condensación. Entre los distintos monómeros que forman las biomoléculas se forman tres enlaces covalentes: enlaces glicosídicos, peptídicos y fosfodiéster.

Podemos concluir que:

• La condensación de los monosacáridos da lugar a la formación de polisacáridos. El enlace que se forma entre los monosacáridos es un enlace glucosídico.
• La condensación de aminoácidos da lugar a la formación de polipéptidos. El enlace que se forma entre los aminoácidos es un enlace peptídico.
• La condensación de los nucleótidos da lugar a la formación de polinucleótidos. El enlace que se forma entre los nucleótidos es un enlace fosfodiéster.

Reacciones de hidrólisis

Como se ve en la Figura 7, los polímeros se rompen durante la reacción de hidrólisis. La reacción de hidrólisis es el proceso opuesto a la reacción de condensación. Aquí, los enlaces covalentes entre los monómeros se rompen con la ayuda del agua. Por eso decimos que el agua se añade en esta reacción.

Por tanto, podemos concluir que:

• La hidrólisis de los polisacáridos da lugar a la ruptura de la molécula en sus monómeros: los monosacáridos. Los enlaces glucosídicos covalentes entre los monosacáridos se rompen.
• La hidrólisis de los polipéptidos da lugar a la ruptura de la molécula en sus monómeros: los aminoácidos. Los enlaces peptídicos covalentes entre los aminoácidos se rompen.
• La hidrólisis de los polinucleótidos da lugar a la ruptura de la molécula en sus monómeros: los nucleótidos. Los enlaces covalentes fosfodiéster entre los nucleótidos se rompen.