Moléculas biológicas

Los seres vivos están construidos a partir de cuatro tipos principales de moléculas grandes: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Se pueden utilizar pruebas químicas sencillas para determinar qué tipos están presentes en una muestra.

Prueba semi-cuantitativa de Benedict

La prueba normal de Benedict solo indica "sí o no". Una prueba semi-cuantitativa da una aproximación de la cantidad. Primero se estandariza la prueba: se realiza con soluciones de concentración conocida y se registra el resultado para cada una. Luego se puede estimar una desconocida mediante:

• el tiempo hasta el primer cambio de color (más azúcar cambia de color más rápido), o
• comparando el color final con su juego de estándares de color.

Pruebas de azúcares no reductores

Algunos azúcares, como la sacarosa, son azúcares no reductores: dan un resultado negativo en la prueba de Benedict. Para detectarlos:

1. Realice primero una prueba normal de Benedict. Permanece azul (no hay azúcar reductora).
2. Tome una muestra fresca y añada ácido clorhídrico diluido, luego caliente. Esta hidrólisis ácida rompe el azúcar en azúcares reductores más pequeños.
3. Enfríe y neutralice el ácido con bicarbonato de sodio.
4. Ahora realice la prueba de Benedict nuevamente. Un color rojo ladrillo indica que estaba presente un azúcar no reductor.

Ejemplo resuelto. Una solución da una prueba de Benedict negativa. Luego se hierve con ácido clorhídrico diluido, se neutraliza con bicarbonato de sodio y se vuelve a probar con Benedict - ahora se vuelve roja ladrillo. ¿Qué estaba presente y por qué es necesaria cada etapa? El primer resultado negativo descarta un azúcar reductor. Hervir con ácido hidroliza el enlace glucosídico, dividiendo un azúcar no reductor como la sacarosa en sus monosacáridos reductores. El paso de neutralización es esencial porque Benedict solo funciona en condiciones alcalinas; saltarse este paso hace que la prueba falle incluso si hay azúcar presente. Por lo tanto, el re-test positivo demuestra que siempre hubo un azúcar no reductor. Cite la primera prueba negativa como parte de la respuesta: sin ella, el color rojo final no puede distinguir un azúcar no reductor de uno reductor.

Monómeros, polímeros y macromoléculas

• un monómero es una molécula pequeña que constituye una unidad individual.
• un polímero es una molécula larga formada por muchos monómeros unidos entre sí.
• una macromolécula es cualquier molécula muy grande.

Los azúcares vienen en tres tamaños:

• un monosacárido es una única unidad de azúcar, como la glucosa y la fructosa.
• un disacárido son dos unidades unidas, como la maltosa y la sacarosa.
• un polisacárido son muchas unidades unidas formando un polímero.

La glucosa, la fructosa y la maltosa son azúcares reductores. La sacarosa es un azúcar no reductor.

Dos formas de anillo de la glucosa

La glucosa tiene seis átomos de carbono y forma un anillo. Existen dos formas de anillo. Diferen únicamente en el carbono 1:

• en la α-glucosa, el grupo –OH en el carbono 1 apunta hacia abajo, debajo del anillo.
• en la β-glucosa, el grupo –OH en el carbono 1 apunta hacia arriba, encima del anillo.

Esta pequeña diferencia determina qué polisacárido puede construir la glucosa.

Unión y ruptura de azúcares

Los monómeros se unen mediante fuertes enlaces covalentes. Cuando dos azúcares se unen, se forma un enlace glucosídico entre ellos. Esto ocurre por condensación: se elimina una molécula de agua cada vez que se forma un enlace.

Lo contrario es la hidrólisis: se añade una molécula de agua para romper un enlace glucosídico. Es por esto que la prueba de azúcares no reductores necesita ácido y calor: hidrolizan la sacarosa en glucosa y fructosa.

Polisacáridos de almacenamiento: almidón y glucógeno

El almidón es el depósito de energía en las plantas. Está formado por dos polímeros de α-glucosa:

• amilosa — una cadena larga y no ramificada que se enrolla en espiral.
• amilopectina — una cadena con muchas ramas laterales.

La glucógeno es el depósito de energía en los animales. Es similar a la amilopectina pero tiene aún más ramas, por lo que puede descomponerse rápidamente cuando se necesita energía.

Estos depósitos son adecuados para su función: son compactos, son insolubles (para que no salgan de la célula) y no alteran el potencial hídrico de la célula (para que no atraigan agua por ósmosis). Las muchas ramas ofrecen muchos extremos, permitiendo que la glucosa se añada o retire rápidamente.

Celulosa

La celulosa está formada por β-glucosa. Debido a la forma β, cada otra glucosa está volteada, por lo que las cadenas son largas y rectas. Muchas cadenas rectas yacen una al lado de la otra y están unidas por enlaces de hidrógeno formando haces fuertes llamados microfibrillas. Estas proporcionan a la pared celular vegetal su resistencia y evitan que la célula estalle.

Triglicéridos

Un triglicérido es la grasa u aceite principal. Es apolar e hidrofóbico (no se mezcla con el agua). Está formado por una molécula de glicerol unida a tres ácidos grasos mediante enlaces éster. Cada enlace éster se forma por condensación, por lo que se eliminan tres moléculas de agua.

Los ácidos grasos son de dos tipos:

• saturados — sin dobles enlaces carbono-carbono; estas grasas suelen ser sólidas.
• insaturados — uno o más dobles enlaces; estos aceites suelen ser líquidos.

Los triglicéridos constituyen un buen depósito de energía a largo plazo: liberan aproximadamente el doble de energía por gramo que los carbohidratos, son insolubles y almacenan poca masa extra porque no retienen agua. Bajo la piel también proporcionan aislamiento térmico y protegen los órganos.

Fosfolípidos

Un fosfolípido es similar a un triglicérido, pero uno de los ácidos grasos es reemplazado por un grupo fosfato. Esto le da a la molécula dos extremos con comportamiento diferente:

• una cabeza polar hidrofílica ("amante del agua") de fosfato.
• dos colas hidrofóbicas ("que temen al agua") de ácidos grasos.

Esta dualidad es la razón por la que los fosfolípidos forman las membranas celulares.

Aminoácidos y enlace peptídico

Las proteínas son polímeros de aminoácidos. Todo aminoácido tiene la misma estructura general alrededor de un átomo de carbono central: un grupo amino (–NH₂), un grupo carboxilo (–COOH), un átomo de hidrógeno y una cadena lateral variable (el grupo R). El grupo R es diferente en cada aminoácido.

Dos aminoácidos se unen por condensación. El enlace formado entre el grupo amino de uno y el grupo carboxilo del siguiente es un enlace peptídico, y se elimina una molécula de agua. Muchos aminoácidos unidos de esta manera forman un polipéptido. Agregar agua (hidrólisis) rompe un enlace peptídico.

Cuatro niveles de estructura proteica

La forma plegada se mantiene unida por cuatro tipos de interacciones entre grupos R:

• interacciones hidrofóbicas (los grupos R apolares se agrupan lejos del agua).
• enlace de hidrógeno.
• enlaces iónicos (entre grupos R cargados).
• enlace covalente, incluidos fuertes enlaces disulfuro.

Proteínas globulares y fibrosas

• proteínas globulares se pliegan en una forma redondeada, generalmente son solubles y realizan funciones en el cuerpo (por ejemplo, enzimas y hemoglobina).
• proteínas fibrosas forman hebras largas, generalmente son insolubles y brindan estructura y soporte (por ejemplo, colágeno).

Hemoglobina — una proteína globular

La hemoglobina transporta oxígeno en los glóbulos rojos. Tiene una estructura cuaternaria formada por cuatro cadenas de polipéptidos: dos cadenas alfa (α-globina) y dos cadenas beta (β-globina). Cada cadena contiene un grupo hemo. En el centro de cada grupo hemo hay un átomo de hierro, y es allí donde se une una molécula de oxígeno. Cuatro cadenas significan que una molécula de hemoglobina puede transportar cuatro moléculas de oxígeno.

Colágeno — una proteína fibrosa

El colágeno proporciona resistencia a la piel, tendones, hueso y paredes de vasos sanguíneos. Una molécula de colágeno consiste en tres cadenas de polipéptidos enrolladas estrechamente entre sí en una triple hebra, unidas por enlaces de hidrógeno. Muchas de estas moléculas yacen una al lado de la otra, ligeramente escalonadas, y están entrecruzadas formando fibras gruesas. El arreglo escalonado y entrecruzado hace que el colágeno sea muy fuerte cuando se tensa.

El agua es una molécula pequeña, pero sus dos enlaces O–H son polares: el extremo de oxígeno es ligeramente negativo y los extremos de hidrógeno son ligeramente positivos. Por lo tanto, una molécula de agua atrae a sus vecinas, formando débiles enlaces de hidrógeno entre ellas. Estos enlaces de hidrógeno explican las propiedades útiles del agua:

• acción disolvente — el agua es un buen solvente, por lo que muchas sustancias se disuelven en ella. Esto permite que ocurran reacciones y que las sustancias sean transportadas por el cuerpo.
• alta capacidad calorífica específica — el agua necesita mucha energía para calentarse, por lo que su temperatura se mantiene estable. Esto protege a los seres vivos de cambios rápidos de temperatura.
• calor latente de vaporización — el agua necesita mucha energía para evaporarse. Por lo tanto, cuando el agua se evapora (por ejemplo, cuando el sudor se seca), arrastra mucho calor y enfría el cuerpo.

• Aprenda cada prueba alimenticia como reactivo + resultado positivo + cambio de color (Benedict → rojo ladrillo; yodo → azul-negro; Biuret → púrpura; emulsión → blanco).
• Benedict detecta azúcares reductores; para un azúcar no reductor debe hidrolizar con ácido primero, luego re-probar.
• Nombre el enlace con precisión: glucosídico (carbohidratos), éster (lípidos), peptídico (proteínas) — todos formados por condensación (se elimina agua).
• Vincule estructura con función: celulosa (cadenas rectas, enlaces H → fuerte), glucógeno/almidón (ramificado/enrollado → depósito compacto).
• Para proteínas, nombre el enlace en cada nivel: primaria (peptídico), secundaria (hidrógeno), terciaria (interacciones de grupo R), cuaternaria.