Tipos de moléculas biológicas grandes: monómeros, polímeros, síntesis por deshidratación e hidrólisis.

Introducción

Piensa en lo que comiste en el almuerzo. ¿Alguno de los alimentos tenía una etiqueta de "información nutricional"? De ser así, y, si le echaste un vistazo a la etiqueta, tal vez estés ya familiarizado con los diferentes tipos de moléculas biológicas grandes que estudiaremos aquí. Si te preguntas qué hace en tu comida algo que suena tan raro como "molécula biológica grande", la respuesta es que proporciona los componentes que necesitas para mantener tu cuerpo, ¡porque tu cuerpo también está hecho con moléculas biológicas grandes!
Del mismo modo en como puedes ser considerado una mezcla de átomos o una bolsa de agua que habla y camina, también puedes ser visto como un conjunto de los cuatro tipos principales de moléculas biológicas grandes: carbohidratos (como los azúcares), lípidos (como las grasas), proteínas y ácidos nucleicos (como el ADN y el ARN). Esto no significa que estas sean las únicas moléculas en tu cuerpo, sino que las moléculas grandes más importantes pueden dividirse en estos grupos. Juntos, los cuatro grupos de moléculas biológicas grandes componen la mayoría del peso seco de la célula. (El agua, una molécula pequeña, constituye la mayor parte del peso húmedo).
Las moléculas biológicas grandes realizan una amplia variedad de funciones en un organismo. Algunos carbohidratos almacenan combustible para las necesidades energéticas futuras y algunos lípidos son componentes estructurales esenciales de las membranas celulares. Los ácidos nucleicos guardan y transfieren información hereditaria, mucha de la cual proporciona instrucciones para construir proteínas. Las proteínas probablemente sean las que tienen la gama de funciones más amplia: algunas proveen soporte estructural, pero muchas son como pequeñas máquinas que llevan a cabo trabajos específicos en una célula, como catalizar reacciones metabólicas o recibir y transmitir señales.
Veremos los carbohidratos, lípidos, ácidos nucleicos y proteínas con más detalle en algunos artículos más adelante. Aquí, profundizaremos un poco más en las reacciones químicas clave que construyen y degradan estas moléculas.

Monómeros y polímeros

La mayoría de las moléculas biológicas grandes son polímeros, largas cadenas compuestas de subunidades moleculares repetitivas, o unidades estructurales, llamadas monómeros. Si piensas en un monómero como una cuenta, puedes considerar que un polímero es como un collar: una serie de cuentas enlazadas.
Los carbohidratos, ácidos nucleicos y proteínas se encuentran en la naturaleza en forma de polímeros largos. Debido a su naturaleza polimérica y a su gran (¡a veces enorme!) tamaño, se clasifican como macromoléculas, grandes (macro-) moléculas formadas por la unión de subunidades más pequeñas. Los lípidos, que normalmente no son polímeros y que son más pequeños que las otras tres, no se consideran formalmente como macromoléculas1,2^{1,2}. Sin embargo, muchas otras fuentes usan el término “macromolécula” de manera más general, como un nombre común para los cuatro tipos de moléculas biológicas grandes3,4^{3,4}. Simplemente, es otra forma de nombrarlas, así que no te fijes tanto en eso. Solo recuerda que los lípidos son uno de los cuatro tipos principales de moléculas biológicas grandes, pero que generalmente no forman polímeros.

Síntesis por deshidratación

¿Cómo se forman polímeros a partir de monómeros? Las moléculas biológicas grandes normalmente se forman mediante reacciones de síntesis por deshidratación, en las que un monómero se une por enlace covalente a otro monómero (o a una cadena creciente de monómeros), y libera una molécula de agua en el proceso. Puedes recordar qué sucede por el nombre de la reacción: síntesis, por la formación de un enlace nuevo y deshidratación, por la pérdida de la molécula de agua.
Reacción de síntesis por deshidratación entre dos moléculas de glucosa, que forma una molécula de maltosa y libera una molécula de agua.
En la reacción de síntesis por deshidratación que se muestra arriba, dos moléculas del azúcar glucosa (monómeros) se combinan para formar una sola molécula de maltosa. Una de las moléculas de glucosa pierde un H, la otra pierde un grupo OH y se libera una molécula de agua mientras se forma un nuevo enlace covalente entre las dos moléculas de glucosa. Conforme se añaden más monómeros por el mismo proceso, la cadena se hace cada vez más larga, y se forma un polímero.
Aunque los polímeros se formen por la repetición de unidades monoméricas, hay mucho espacio para formas y composiciones variadas. Los carbohidratos, ácidos nucleicos y proteínas pueden contener varios tipos diferentes de monómeros, cuya composición y secuencia son importantes para su función. Por ejemplo, el ADN tiene cuatro tipos de monómeros de nucleótidos, así como 20 tipos de monómeros de aminoácidos encontrados normalmente en las proteínas del cuerpo. Inclusive, un único tipo de monómero puede formar diferentes polímeros con propiedades distintas. Por ejemplo, el almidón, el glucógeno y la celulosa son carbohidratos compuestos de monómeros de glucosa, pero tienen diferentes patrones de enlace y ramificación.

Hidrólisis

¿Cómo los polímeros se convierten nuevamente en monómeros (por ejemplo, cuando el cuerpo necesita reciclar una molécula para formar otra diferente)? Los polímeros se descomponen en monómeros mediante reacciones de hidrólisis, en las que un enlace se rompe (lisis) al incorporar una molécula de agua.
Durante una reacción de hidrólisis, una molécula compuesta de varias subunidades se divide en dos: una de las nuevas moléculas gana un átomo de hidrógeno, mientras que la otra gana un grupo hidroxilo (-OH), los cuales son donados por el agua. Esto es simplemente la reacción inversa de la síntesis por deshidratación, que libera un monómero que se puede utilizar en la formación de un nuevo polímero. Por ejemplo, en la reacción de hidrólisis siguiente, una molécula de agua divide a la maltosa para liberar dos monómeros de glucosa, una reacción inversa de la síntesis por deshidratación ya señalada.
Hidrólisis de la maltosa, en el cual una molécula de maltosa se combina con una molécula de agua, y produce dos monómeros de glucosa.
Las reacciones de síntesis por deshidratación forman moléculas y suelen requerir energía, mientras que las reacciones de hidrólisis degradan las moléculas y suelen liberar energía. Los carbohidratos, las proteínas y los ácidos nucleicos se forman y degradan por este tipo de reacciones, aunque los monómeros implicados son diferentes en cada caso. (En una célula, los ácidos nucleicos en realidad no se polimerizan mediante síntesis por deshidratación; analizaremos cómo se construyen en el artículo sobre ácidos nucleicos). Las reacciones de deshidratación sintéticas también participan en la formación de ciertos tipos de lípidos a pesar de que estos no son polímeros3^3.
En el cuerpo, las enzimas catalizan, o aceleran, las reacciones de síntesis por deshidratación y las reacciones de hidrólisis. Las enzimas involucradas en la ruptura de enlaces a menudo reciben nombres que terminan con -asa. Por ejemplo, la enzima maltasa degrada la maltosa, las lipasas rompen los lípidos y las peptidasas descomponen proteínas (también llamados polipéptidos, como veremos en el artículo sobre las proteínas). Mientras viaja a través de tu sistema digestivo —de hecho, desde el momento que toca tu saliva— el alimento es degradado por enzimas como estas, que rompen las moléculas biológicas grandes para liberar las unidades estructurales más pequeñas que pueden ser fácilmente absorbidas y utilizadas por el cuerpo.

Créditos:

Este artículo es un derivado modificado de “Synthesis of biological macromolecules (Síntesis de macromoléculas biológicas)” de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0). Descarga gratis el artículo original en http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:10/Biology.
El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias citadas:

  1. Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. y Jackson, R. B. (2011). Macromolecules are polymers, built from monomers (Las macromoléculas son polímeros, creadas a partir de monómeros). En Campbell Biology (Biología de Campbell) (10° edición, pág. 67). San Francisco, CA: Pearson.
  2. Baggott, J. (5 de enero de 1995). Macromolecules (Macromoléculas). En NetBiochem. Obtenido de http://library.med.utah.edu/NetBiochem/macromol.htm.
  3. Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B. y Singer, S. R. (2014). Biological macromolecules include carbohydrates, nucleic acids, proteins, and lipids (Las macromoléculas biológicas incluyen carbohidratos, ácidos nucleicos, proteínas y lípidos). En Biology (Biología) (10° edición, AP ed., pág. 37). Nueva York, NY: McGraw-Hill.
  4. Macromolécula. (27 de mayo de 2016). Obtenido el 30 de mayo de 2016 de Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Macromolecule.

Referencias complementarias:

Macromolécula. (27 de mayo de 2016). Obtenido el 30 de mayo de 2016 de Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Macromolecule.
Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H. y Heller, H. C. (2003). Condensation and hydrolysis reactions (Reacciones de condensación e hidrólisis). En Life: The science of biology (Vida: La ciencia de la biología) (7° edición, pág. 38). Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.
Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H. y Heller, H. C. (2003). Macromolecules: Giant polymers (Macromoléculas: Polímeros gigantes). En Life: The science of biology (Vida: La ciencia de la biología) (7° edición, págs. 37-38). Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.
Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B. y Singer, S. R. (2014). Biological macromolecules include carbohydrates, nucleic acids, proteins, and lipids (Las macromoléculas biológicas incluyen carbohidratos, ácidos nucleicos, proteínas y lípidos). En Biology (Biología) (10° edición, AP ed., págs. 37-38). Nueva York, NY: McGraw-Hill.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. y Jackson, R. B. (2011). Macromolecules are polymers, built from monomers (Las macromoléculas son polímeros, creadas a partir de monómeros). En Campbell Biology (Biología de Campbell) (10.° edición, págs. 67-68). San Francisco, CA: Pearson.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. y Jackson, R. B. (2011). The molecules of life (Las moléculas de la vida). En Campbell Biology (Biología de Campbell) (10.º edición, pág. 67). San Francisco, CA: Pearson.
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