Las macromoléculas son gigantes del mundo atómico. El prefijo «macro -» significa » escala muy grande.»De hecho, las macromoléculas eclipsan a otras moléculas involucradas en la química de la vida, como la sal de mesa (NaCl) o el agua (H2O). Las macromoléculas se componen típicamente de al menos 1.000 átomos, con estructuras repetidas de componentes más pequeños. El proceso de polimerización une los componentes más pequeños (monómeros). Es el grado de repetición lo que lleva al tamaño grande.

Es el gran tamaño de las macromoléculas lo que dicta su importancia en los sistemas vivos. Son la base de la vida celular compleja. Las macromoléculas no son intrínsecamente estables. No se crean en ausencia de vida, ni pueden persistir por mucho tiempo fuera de los sistemas vivos.

Esencialmente, una macromolécula es una molécula única que consiste en muchas moléculas de subunidades unidas covalentemente. Un polímero es una sola molécula compuesta de monómeros similares. En fisiología, las cuatro macromoléculas principales son:

1. ácidos nucleicos-compuestos de subunidades de nucleótidos unidas a través de su columna vertebral de fosfato.
2. proteínas-hechas de subunidades de aminoácidos unidas entre carbono y nitrógeno.
3. lípidos – típicamente moléculas grandes compuestas de enlaces no polares, haciéndolos hidrófobos. Algunos lípidos contienen grupos polares unidos covalentemente, que pueden actuar como puntos de unión para múltiples moléculas lipídicas hidrófobas.
4. hidratos de carbono-tienen grupos de azúcar unidos covalentemente.

Hasta ahora, hemos discutido los principales elementos y tipos de enlaces que son importantes en el funcionamiento de una célula. Juntos, estos elementos y enlaces definen las principales propiedades de las cuatro clases de macromoléculas que componen una célula: carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos. En este módulo, exploraremos estas macromoléculas.

Los hidratos de carbono, las proteínas y los ácidos nucleicos son ejemplos de polímeros. Los polímeros son moléculas muy grandes compuestas de unidades más pequeñas unidas por enlaces covalentes utilizando un conjunto común de reacciones químicas. Las proteínas son polímeros lineales de aminoácidos, todos unidos por enlaces peptídicos. Los polisacáridos son los carbohidratos unidos a través de enlaces glucosídicos en estructuras ramificadas a veces bastante complejas. El ADN y el ARN son polímeros de ácidos nucleicos unidos por enlaces fosfodiéster. Este módulo incluye una discusión de las estructuras de estas macromoléculas orgánicas.

Hidratos de carbono

Hidratos de carbono

La macromolécula más simple son los hidratos de carbono, también llamados sacáridos. El nombre es descriptivo del carácter de esta clase de moléculas, ya que todas tienen la fórmula general de un carbono hidratado.

(C (H2O)) n

Esto representa una relación 2:1 de átomos de hidrógeno a oxígeno(como en el agua), pero en este caso, están unidos a una columna vertebral de carbono. los átomos constituyentes de los carbohidratos se pueden configurar en configuraciones prácticamente infinitas, por lo que las moléculas de carbohidratos vienen en una multitud de formas y tamaños diferentes.

Los monosacáridos son las unidades más básicas de carbohidratos. Estos son azúcares simples, incluyendo glucosa, fructosa y otros. Contienen entre tres y siete átomos de carbono, tienen un sabor dulce y son utilizados por el cuerpo para obtener energía.

Los polisacáridos son polímeros largos de azúcares monosacáridos unidos covalentemente. Los polisacáridos se utilizan a menudo para almacenar la energía del monosacárido. Estos incluyen almidón (en plantas) y glucógeno (en humanos y animales). Los polisacáridos también se pueden usar para estructurar plantas y otros organismos inferiores. Por ejemplo, la celulosa es un polisacárido grande que se encuentra en las paredes celulares de las plantas. La gente no puede digerir la celulosa en monosacáridos, pero es importante en nuestras dietas como «fibra insoluble» o «fibra insoluble».»Los carbohidratos también son componentes críticos en la columna vertebral del ADN, con un monosacárido encontrado en cada nucleótido. Con 3 mil millones de nucleótidos de ADN por célula, eso es una gran cantidad de monosacáridos en el cuerpo.

Los polisacáridos se pueden conjugar con otras macromoléculas. Por ejemplo, los carbohidratos complejos se pueden vincular con proteínas o lípidos para formar glicoproteínas y glicolípidos, respectivamente. Se pueden hacer estructuras muy diferentes a partir de unos pocos monosacáridos dispuestos en diferentes patrones y con diferentes uniones. Por lo tanto, esta flexibilidad en la estructura se puede utilizar para la identificación de tipos de células individuales, ya que la estructura de cada tipo de célula es única. Más de la mitad de las proteínas en el cuerpo, de las que hablaremos más adelante en este módulo, tienen glicosilaciones o modificaciones de carbohidratos. El exterior de las células está cubierto de carbohidratos por modificaciones de los lípidos que componen la membrana; cubriremos los lípidos en el último capítulo de esta sección.

Los carbohidratos son mejor conocidos como moléculas de almacenamiento de energía. Su función principal es como fuente de energía. Las células convierten fácilmente los carbohidratos en energía utilizable. Recordarán que las moléculas son una colección de átomos conectados por enlaces covalentes. En general, los enlaces covalentes simples pueden representarse como que tienen aproximadamente 100 kcal / mol de energía asociada con la fuerza que mantiene unidos a los dos átomos. El azúcar de mesa, o sacarosa, es el carbohidrato más conocido. El carbohidrato más común en la naturaleza es la glucosa, que tiene la fórmula general

(C (H2O))6

y que es una fuente común de energía para muchos organismos vivos. Si un mol de glucosa es completamente metabolizado («quemado») por su energía en una célula, tiene la siguiente reacción química:

(C(H2O))6 + 6 O2 <> 6 CO2 + 6 H2O + 673 kcal (energía)

Mientras que la reacción general representa un proceso de oxidación/reducción acoplado, en conjunto, este proceso implica la ruptura de cinco enlaces carbono a carbono por molécula de glucosa, con la liberación de 673 kcal / mol de energía.

Sin embargo, el cuerpo no necesita carbohidratos dietéticos para obtener energía. Las proteínas y las grasas pueden satisfacer las necesidades del cuerpo, y el cuerpo puede convertir moléculas en carbohidratos necesarios para la energía y otras funciones celulares. Pero los carbohidratos requieren un procesamiento mínimo para su uso como energía. Por ejemplo, una reacción enzimática simple convierte la sacarosa en azúcar en la sangre, que se puede usar directamente como fuente de energía celular. El truco para la célula es convertir las 673 kcal/mol de energía en una forma útil para que pueda funcionar para la célula u organismo. El destino metabólico de los carbohidratos se discutirá más adelante en el curso.

Una segunda función realizada por los carbohidratos es la estructura. Por ejemplo, la celulosa es un polímero lineal de glucosa que interactúa con otros polímeros de celulosa para formar fibras que interactúan para formar la estructura básica de la pared celular de las plantas. Estos polímeros de celulosa son indigestibles y constituyen el forraje.

Una tercera función de los carbohidratos es el reconocimiento celular y la señalización. Esto ocurre típicamente con carbohidratos conjugados con otras moléculas, como las que se encuentran en las glicoproteínas (carbohidratos unidos a proteínas) y los glicolípidos (carbohidratos unidos a lípidos). Debido a que un gran número de estructuras se pueden hacer a partir de unos pocos monosacáridos (carbohidratos simples), un gran número de estructuras diferentes también se pueden hacer a partir de unos pocos carbohidratos simples, como se verá más adelante. Por lo tanto, este gran número de estructuras diferentes se puede utilizar para la identificación de tipos celulares individuales.

Las modificaciones de carbohidratos (llamadas glicosilaciones) están presentes en las membranas lipídicas y las proteínas para una función y reconocimiento especializados. Las formaciones únicas de carbohidratos permiten aún más especificidad a una proteína, más allá del código de aminoácidos. La membrana externa de la célula está salpicada de cadenas de carbohidratos, que difieren según el tipo de célula. Estas glicosilaciones de carbohidratos proporcionan una «firma» de la célula y también pueden actuar como una señal. Por lo tanto, las glicosilaciones son importantes en la respuesta inmune y la comunicación general de célula a célula.

Proteínas

Después de los ácidos nucleicos, las proteínas son las macromoléculas más importantes. Estructuralmente, las proteínas son las macromoléculas más complejas. Una proteína es una molécula lineal compuesta de aminoácidos. Veinte aminoácidos diferentes se encuentran en las proteínas. La secuencia de aminoácidos de una proteína está determinada por la secuencia de bases en el código de ADN para la síntesis de esta proteína. Una sola molécula de proteína puede estar compuesta de cientos de aminoácidos. Esta secuencia de aminoácidos es la estructura primaria de una proteína. El tamaño, la forma y las propiedades reactivas de la proteína dependen del número, el tipo y la secuencia de aminoácidos. La cadena de aminoácidos puede permanecer en su estructura lineal primaria, pero a menudo se pliega y sobre sí misma para formar una forma. Esta estructura secundaria se forma a partir de interacciones localizadas (enlace de hidrógeno) de cadenas laterales de aminoácidos. Estas incluyen estructuras de hélice alfa y chapa beta. La hélice alfa es dominante en la hemoglobina, lo que facilita el transporte de oxígeno en la sangre. Las estructuras secundarias se integran junto con giros y torceduras en una proteína tridimensional. Esta forma funcional se denomina estructura terciaria de la proteína. Un nivel adicional de organización resulta cuando varias proteínas separadas se combinan para formar un complejo de proteínas llamado estructura cuaternaria.

Las proteínas realizan numerosas funciones esenciales dentro de la célula. Muchas proteínas sirven como enzimas, que controlan la velocidad de las reacciones químicas y, por lo tanto, la capacidad de respuesta de las células a los estímulos externos. Una enzima puede acelerar una reacción que tomaría millones de años en condiciones normales y hacer que suceda en solo unos pocos milisegundos. Las enzimas son importantes en la replicación, transcripción y reparación del ADN. Los procesos digestivos también se ven facilitados en gran medida por las enzimas, que descomponen moléculas que de otro modo serían demasiado grandes para ser absorbidas por los intestinos. Las proteínas enzimáticas también desempeñan un papel en las contracciones musculares.

Otras proteínas son importantes en la señalización celular y el reconocimiento celular. Las proteínas receptoras reconocen las sustancias como extrañas e inician una respuesta inmunitaria. A través de la señalización celular, las proteínas median el crecimiento y la diferenciación celular durante el desarrollo. Varias proteínas importantes proporcionan soporte mecánico a la célula, andamiaje que ayuda a la célula a mantener su forma. Otras proteínas comprenden gran parte del tejido conectivo del cuerpo y estructuras como el cabello y las uñas.

Para la producción de proteínas en las células, el cuerpo necesita aminoácidos, que ingerimos. Parece un poco ineficiente, pero comemos proteínas, las descomponemos en aminoácidos, distribuimos los aminoácidos dentro del cuerpo y luego acumulamos nuevas proteínas. Nuestras células pueden sintetizar algunos aminoácidos a partir de otros similares, pero los aminoácidos esenciales se deben obtener de la dieta, ya que no se pueden sintetizar. Las deficiencias de proteínas en la dieta dan lugar a enfermedades de malnutrición como el kwashiorkor, que es común en los países en desarrollo. En los casos de kwashiorkor, la deficiencia de proteínas causa edema (hinchazón) que conduce a un abdomen distendido. Las proteínas se metabolizan eventualmente en amoníaco y urea, que son excretadas por los riñones. La enfermedad renal puede causar que estos productos de desecho se acumulen en el cuerpo, lo que hace que una persona se enferme mucho y, en última instancia, lo lleve a la muerte. Una dieta baja en proteínas puede ayudar a aquellos cuyos riñones tienen un bajo nivel de función.

A diferencia de los ácidos nucleicos, que deben permanecer inalterados en el cuerpo durante la vida del organismo, las proteínas están destinadas a ser transitorias: se producen, cumplen sus funciones y luego se reciclan. Las proteínas también se desnaturalizan fácilmente (despliegue de las estructuras secundarias y terciarias) por extremos de calor o pH. Cuando hierve un huevo, la yema y la clara se endurecen y cambian de color. Al cocinar la carne, la carne cambia de color y se vuelve firme. Estos cambios surgen porque las proteínas constituyentes se desnaturalizan, cambiando las propiedades de los tejidos.