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Significado de las estructuras biológicas
¿Qué significan las estructuras biológicas? Cuando hablamos de estructuras biológicas, nos referimos a una idea clave en biología: la forma determina la función. Esto significa que la forma en que algo está organizado, dispuesto o estructurado le permite desempeñar un papel determinado dentro de los organismos vivos, como nosotros, los humanos.
El campo de la biología estructural se ocupa de estudiar todos los seres vivos en todos los niveles de organización.
Todos los organismos vivos tienen propiedades estructurales, incluidos nosotros, los humanos. La estructura general de un organismo vivo, de menor a mayor complejidad, puede entenderse como: átomos, moléculas, orgánulos, células, tejidos, órganos, sistemas de órganos y organismos.
Estructuras | Descripción | Ejemplos |
Átomos | La unidad más pequeña de la materia, y en biología solemos estudiarlos porque se unen para formar moléculas esenciales. | Los átomos de hidrógeno (H) y oxígeno (O) se unen para formar agua (H2O), una molécula necesaria para la vida. |
| Biomoléculas | O compuestos orgánicos, contienen principalmente carbono y pueden sustentar la vida. También suelen tener átomos de hidrógeno, oxígeno o nitrógeno. | Proteínas, hidratos de carbono, lípidos y ácidos nucleicos. |
Organelos | Estructuras especializadas dentro de una célula. En los eucariotas u organismos pluricelulares como nosotros, los humanos, están unidos por membranas. | Las mitocondrias, el centro neurálgico de la célula. |
Células | Los componentes básicos de la vida que forman todos los organismos vivos y sus tejidos. Suelen tener tres partes principales: el citoplasma (líquido interior que engloba todas las estructuras celulares), el núcleo (almacena nuestra información genética o ADN) y la membrana (transporta las cosas dentro y fuera de la célula). | Células musculares, nerviosas, de la piel |
Tejidos | Conjunto de células que tienen formas similares y, por tanto, funcionan juntas como una unidad. | Tejidos conectivos, como la sangre y los huesos, que sostienen otros tejidos apoyándolos estructuralmente y uniéndolos entre sí. |
Órganos | Colecciones de tejidos que son autónomos y realizan funciones vitales concretas.
| Uno de los órganos más críticos de nuestro cuerpo es el corazón, que bombea y controla la sangre por todo el cuerpo. |
Sistemas de órganos | Conjunto de órganos que trabajan juntos para garantizar el funcionamiento de nuestro cuerpo. | El sistema nervioso, que envía señales entre el cerebro y el cuerpo permitiendo el movimiento, la respiración, el pensamiento, etc. |
Organismos | Animales, plantas u otras formas de vida individuales.
| Un ejemplo de organismo con muchas células seríamos nosotros: los humanos. Una bacteria es un organismo unicelular. |
Los átomos, son componentes de estructuras biológicas (y no biológicas), pero no se consideran estructuras biológicas en sí mismas.
Aspectos generales de las estructuras biológicas
Aunque sean tan diversas, podemos distinguir algunos aspectos generales de las estructuras biológicas. Como ya hemos dicho, la biología estructural se ocupa de cómo se organizan los seres vivos y por qué. Hemos repasado qué son las estructuras biológicas y las propiedades estructurales básicas del cuerpo humano. En esta sección mencionaremos qué hace que algo sea una estructura biológica.
Las estructuras biológicas son cualquier componente físico de un organismo vivo cuya forma contribuye a sostener, apoyar o realizar innumerables funciones vitales de nuestro cuerpo.
Otras características comunes son:
Las estructuras biológicas se autoorganizan y son dinámicas. Pueden organizarse en formas distintas para realizar sus funciones.
Todas las estructuras biológicas de los organismos vivos poseen niveles de organización que aumentan en complejidad.
Por ejemplo, los aminoácidos son los bloques de construcción de las proteínas, y las propias proteínas tienen estructuras que se unen entre sí para crear formas más complejas (más sobre esto más adelante).
Todas las estructuras biológicas funcionan juntas o se agre gan en formas que funcionan conjuntamente.
Por ejemplo, las células se agregan en tejidos, los tejidos se agregan en órganos, etc. La agregación permite que diversas estructuras biológicas realicen funciones concretas, como el aparato digestivo y un sistema de órganos, que permiten descomponer los alimentos para obtener energía.
Estructuras biológicas en los alimentos
También podemos encontrar estructuras biológicas en los alimentos. ¿Cómo es posible? Bien, recuerda que las estructuras biológicas están organizadas en distintos niveles. Esto significa que las funciones que realiza nuestro cuerpo dependen de cosas que ocurren a nivel microscópico o molecular.
Recuerda que los seres vivos necesitan agua para funcionar. Alrededor del 60% de nuestro cuerpo está formado por agua, lo que la convierte en una molécula esencial. ¿Cómo la reponemos? Pues bebiendo agua fresca.
Del mismo modo, necesitamos comer para reponer macromoléculas específicas que realizan funciones estructurales en nuestro cuerpo.
Las proteínas pueden considerarse una de las moléculas más cruciales, cuyas propiedades estructurales determinan sus funciones.
Los compuestosorgánicos son compuestos que contienen principalmente carbono y pueden sustentar la vida. Los compuestos orgánicos también suelen estar formados por átomos de hidrógeno, oxígeno o nitrógeno.
Las macromoléculas son moléculas formadas por un gran número de átomos, como las proteínas, los hidratos de carbono, etc.
Las proteínas son compuestos orgánicos formados por pequeñas moléculas llamadas aminoácidos. Las proteínas también son macromoléculas que suelen encontrarse en los huevos, las carnes y los lácteos.
Losaminoácidos son los componentes básicos o monómeros de las proteínas.
Las proteínas son esenciales para la vida, ya que desempeñan diversas funciones. Pueden transportar materiales, controlar procesos fisiológicos como el crecimiento, acelerar reacciones químicas, almacenar cosas, etc.
Por desgracia, nueve de los 20 aminoácidos que necesitamos para que nuestro organismo funcione no pueden sintetizarse a partir de nuestro cuerpo. Esto significa que debemos consumirlos como alimento.
Éstas son las macromoléculas que la gente intenta incorporar a su dieta cuando come carne, barritas de proteínas y batidos de proteínas.
Los nueve aminoácidos que debemos obtener de nuestra dieta se denominan aminoácidos esenciales. Una carencia de proteínas puede provocar anemia, pérdida de masa muscular, metabolismo más lento, etc.
Otras macromoléculas que podemos obtener de los alimentos son los lípidos y los hidratos de carbono:
Los hidratosde carbono son compuestos orgánicos que almacenan principalmente energía y que el organismo puede descomponer en azúcares como la glucosa para proporcionarnos una importante fuente de energía.
Los lípidos son compuestos orgánicos insolubles en agua que funcionan en el almacenamiento de energía y como mensajeros químicos.
Ejemplos de hidratos de carbono en los alimentos son las patatas, el pan, los fideos y otros alimentos famosos por ser "carbohidratos".
Los lípidos están formados por aceites líquidos y grasas sólidas. Ejemplos de lípidos en los alimentos son las aceitunas, los aguacates, la mantequilla de cacahuete, etc. Los aceites líquidos, como el de oliva y el de canola, también son lípidos.
Ejemplos de estructuras biológicas
Después de comprender las características comunes de las estructuras biológicas, los alimentos en los que se encuentran y qué son las estructuras biológicas, tenemos que repasar más a fondo ejemplos de estructuras biológicas. Hemos pasado de explicarlas todas en la primera sección a centrarnos en las moléculas. Esto se debe a que todas las funciones biológicas pueden explicarse examinando lo que ocurre a nivel molecular.
Algo importante que hay que recordar es que las estructuras biológicas se dan en todos los niveles de organización.
Figura 1: Ilustración de las formas de las proteínas. Daniela Lin, Estudiar originales más inteligentes.
Las proteínas son una de las macromoléculas más importantes cuya estructura les permite desempeñar un papel esencial en el funcionamiento de nuestro organismo.
En general, existen dos formas de proteínas: globulares y fibrosas (Fig. 1).
Las proteínasglobulares son esféricas, suelen actuar como enzimas o materiales de transporte, suelen ser solubles en agua, tienen una secuencia irregular de aminoácidos y suelen ser más sensibles al calor y a los cambios de pH que las fibrosas.
Una proteína globular es la hemoglobina.
Las proteínas fibrosas son más estrechas y prolongadas, suelen tener una función estructural, generalmente no son solubles en agua, tienen una secuencia regular de aminoácidos y suelen ser menos sensibles al calor y a los cambios de pH que las globulares.
Un ejemplo de proteína fibrosa es queratina.
Las proteínas globulares son más solubles que las fibrosas porque los aminoácidos pueden doblarse de forma que los grupos polares estén en la superficie. Las proteínas globulares también tienen interacciones más débiles entre sus secuencias de aminoácidos en comparación con las proteínas fibrosas, lo que facilita su desnaturalización.
Cuando las proteínas se desnaturalizan o rompen sus enlaces, la estructura se deshace y deja de funcionar.
Las proteínas están formadas por una cadena de aminoácidos. Cuando unas pocas cadenas de aminoácidos se unen entre sí, crean enlaces peptídicos. Las cadenas más largas de aminoácidos unidos entre sí se denominan enlaces polipeptídicos.
- Estructura primaria: La estructura primaria de una proteína son sus secuencias de aminoácidos unidas en una cadena polipeptídica. Esta secuencia determina la forma de una proteína. Un cambio en la secuencia de aminoácidos de una proteína modificaría su forma.
- Estructura secundaria: La estructura secundaria se produce al plegar aminoácidos de la estructura primaria. Las estructuras más comunes en las que se pliegan las proteínas en el nivel secundario son las hélices alfa (\(\alfa\)) y las láminas plegadas beta (\(\beta\)), que se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno.
- Estructura terciaria: La estructura terciaria es la estructura tridimensional de una proteína. Esta estructura tridimensional está formada por las interacciones entre los grupos R variables.
- Estructura cuaternaria: No todas las proteínas tienen una estructura cuaternaria. Pero algunas proteínas pueden formar estructuras cuaternarias compuestas por múltiples cadenas polipeptídicas. Estas cadenas polipeptídicas pueden denominarse subunidades.
Figura 2: Los cuatro niveles de la estructura proteica.
Las proteínas con secuencias incorrectas pueden causar efectos secundarios adversos, como la anemia falciforme, una enfermedad en la que la hemoglobina de un individuo se ve afectada en forma de S. La hemoglobina es una proteína que se encuentra en los glóbulos rojos (GR) y que se une al oxígeno para repartirlo por todo el cuerpo: la forma de S provoca la descomposición de la hemoglobina, lo que conduce a la anemia. La anemia puede provocar fatiga y retraso en el desarrollo.
Los aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas, están formados por un carbono alfa (\(\alfa)) unido a un grupo amino (\(NH_2)), un grupo carboxilo (\(COOH\)), hidrógeno (\(H\)) y una cadena lateral variable denominada (\(R\)) que le confiere distintas propiedades químicas.
Estructuras y funciones biológicas
Ahora tenemos que abordar las funciones reales de algunas estructuras biológicas. Veremos ejemplos de estructuras y funciones biológicas a distintos niveles.
Recuerda los niveles de organización de los que hablamos: átomos, moléculas, orgánulos, células, tejidos, órganos, sistemas de órganos y organismos.
Figura 3: Estructuras y funciones biológicas. Estructura general de una célula animal. La estructura de una célula está estrechamente relacionada con su función.
1. Átomos: Algunos ejemplos de átomos son el hidrógeno (H), el oxígeno (O) y el carbono (C).
El carbono es una parte vital de la vida porque crea enlaces estables con diversos elementos, lo que le permite formar muchas moléculas complejas, como proteínas, hidratos de carbono, etc. Esta propiedad específica de los átomos de carbono le permite formar macromoléculas como proteínas, hidratos de carbono, lípidos, etc.
Como ya se ha dicho, estas moléculas son cruciales para garantizar el funcionamiento de nuestro organismo.
2. Las proteínas son estructuras biológicas a nivel molecular. A continuación se describen algunas de las funciones más comunes de las proteínas:
| Tipos de proteínas | Funciones | Ejemplo |
| Enzimas | Las enzimas catalizan y aceleran las reacciones. | La amilasa descompone azúcares y almidones. |
| Estructurales | Las proteínas estructurales mantienen la forma y la estructura de las células. | La queratina fortalece el pelo y las uñas. |
| Transporte | Mueven materiales por el cuerpo. | La hemoglobina transporta oxígeno por el cuerpo. |
| Defensa | Protegen tu cuerpo manteniendo barreras o eliminando amenazas. | Los anticuerpos se unen a moléculas extrañas (antígenos) para facilitar su eliminación. |
3. Orgánulos: Un ejemplo de orgánulo es la mitocondria. Las mitocondrias tienen una estructura de doble membrana; la membrana interna tiene muchos pliegues para aumentar su superficie, lo que le da más espacio para descomponer moléculas para la respiración celular.
4. Las células también tienen estructuras que les ayudan a realizar un trabajo específico.
Compara la célula de la Figura 3 con las de la Figura 4, y observa cómo una célula animal puede tener formas y estructuras diferentes (aunque la composición sea bastante similar) que están relacionadas con su función.
Por ejemplo, las células nerviosas tienen largas prolongaciones que les ayudan a enviar simultáneamente múltiples mensajes por todo el cuerpo.
Figura 4: Estructuras y funciones biológicas. La forma y la estructura específica de una célula están relacionadas con sus funciones (una neurona, una célula madre y una célula muscular son células animales diferentes).
5. Los tejidos son un conjunto de células que funcionan juntas, como el tejido nervioso. El tejido nervioso o neural está formado por múltiples células nerviosas, que les ayudan a enviar muchas señales por todo el cuerpo.
6. Los órganos son un conjunto de tejidos.
El cerebro es un órgano compuesto de tejido neural, y sus pliegues permiten un aumento de la superficie en relación con el volumen, lo que da lugar a intercambios más rápidos de información.
7. Lossistemas orgánicos son un conjunto de órganos. Si seguimos con el mismo ejemplo, nos referimos al sistema nervioso. Los distintos órganos y tejidos con estructuras particulares funcionan conjuntamente.
Los organismos son un conjunto de todas las estructuras biológicas juntas, lo que significa que en nuestro interior tenemos estructuras que funcionan gracias a sus formas específicas.
Estructuras biológicas - Puntos clave
- Cuando hablamos de estructuras biológicas, nos referimos a una idea clave en biología: la forma determina la función. Esto significa que la forma en que algo está organizado, dispuesto o estructurado le permite desempeñar una función concreta dentro de los organismos vivos, como nosotros, los humanos.
- El campo de la biología estructural se ocupa de estudiar todos los materiales vivos en todos los niveles de organización.
- Todos los organismos vivos tienen propiedades estructurales, incluidos nosotros, los humanos. La estructura general de un organismo vivo, de la menos a la más compleja, puede entenderse como: átomos, moléculas, orgánulos, células, tejidos, órganos, sistemas de órganos y organismos.
Puesto que sabemos de qué trata la biología estructural y qué son las estructuras biológicas, podemos decir que las estructuras biológicas son cualquier componente físico de un organismo vivo cuya forma ayuda a soportar, sostener o realizar innumerables funciones vitales en nuestro cuerpo.
Referencias
- Academia Nacional de Ciencias, Estructura y función molecular, 1989.
- Sarah Malmquist y Kristina Prescott, Organización estructural del cuerpo humano.
- Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales.
- Sophie Dumont y Manu Prakash, Mecánica emergente de las estructuras biológicas, Biología Molecular de la Célula, 2017.
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