MACROMOLÉCULAS

Las macromoléculas son moléculas que tienen una masa molecular elevada, formadas por un gran número de átomos. Generalmente se pueden describir como la repetición de una o unas pocas unidades mínimas o monómeras, formando polímeros.

     A menudo el término macromolécula se refiere a las moléculas que pesan más de 10.000 dalton de masa atómica. Pueden ser tanto orgánicas como inorgánicas, y algunas de gran relevancia se encuentran en el campo de la bioquímica, al estudiar las biomoléculas.    Dentro de las moléculas orgánicas sintéticas se encuentran los plásticos. Son moléculas muy grandes, con una masa molecular que puede alcanzar millones de UMAs que se obtienen por las repeticiones de una o más unidades simples llamados "monómeros" unidos entre sí mediante enlaces covalentes.

     Forman largas cadenas que se unen entre sí por fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno o interacciones hidrofóbicas y por puentes covalentes.

     Por lo general, se analizan moléculas en el que el número de átomos es muy pequeño, el cual consta de una masa molecular relativamente pequeña, por ejemplo la molécula de la sal común (NaCl) consta de solo dos átomos y la masa molecular relativa es de 58. En cambio, existen muchas clases de moléculas que poseen una composición mucho más complicada, es decir, una gran cantidad de átomos y un valor grande en su masa molecular; a esta clase de composiciones se le denomina macromoléculas. Específicamente una macromolécula tiene una cantidad mínima de 1000 y una masa no menos de 10.000. Además los eslabones que unen la molécula no conducen a variación en las propiedades físicas, si estos son adicionados de manera complementaria. Por ejemplo la molécula del polietileno, cuya masa molecular relativa es de 280.000 y consta de 20.000 eslabones de grupos CH₂. Otro ejemplo es la molécula del ácido ribonucleico; consta de 124 eslabones que se repiten, conformados por 17 aminoácidos diferentes. Su fórmula química es C₅₇₅H₉₀₁O₁₉₃N₁₇₁S₁₂, su masa molecular relativa es de 13.682. Los polímeros son sustancias conformadas por macromoléculas.

     Desde hacia un tiempo se denominaron a cierto grupo de moléculas los coloides, en una época que no se conocía la existencia de la macromolécula, los coloides tenían una apariencia gelatinosa adhesiva, con una velocidad de difusión pequeña sin atravesar las membranas, lo cual sucede lo contrario por ejemplo con la sal común que se difunden muy bien y pasa a través de las membranas, estas sustancias fueron llamadas cristaloides por su buena conformación estructural. En lo sucesivo fue descubierto que en condiciones determinadas los cristaloides podían adquirir un “estado coloidal”, si se lograba unir sus moléculas en grupos y con una masa relativa baja.   La agregación de las moléculas de los cristaloides que conducen a la aparición de las propiedades coloidales de sus moléculas, es por lo general una manifestación de las fuerzas de la valencia secundaria y el enlace de los átomos en las macromoléculas es covalente.

MACROMOLÉCULAS NATURALES

Estas moléculas son tan grandes que pueden ser tratadas como moléculas gigantes o partículas macroscópicas pequeñas. La mayoría de estas partículas que son de interes usual, y que se encuentran en en la variación de diámetro de 10 nanómetros y 1 micrómetro.

Los sistemas de macromolécula pueden ser clasificados como polímeros sintéticos y macromoléculas naturales.
Las macromoléculas sintéticas comprenden los polímeros de adición como el polietileno y los polímeros de condensación como el nailon. También es una macromolécula sintética el plexiglas.

El mayor interés en las macromoléculas naturales esta centrada en las proteínas y en los ácidos nucleicos, pero también incluyen a los polisacáridos como la celulosa y los polímeros de isopreno como el caucho natural, la hemoglobina, los almidones y los virus.
La mayoría de macromoléculas son solubles en los solventes apropiados, por lo menos hasta cierto grado y forman, entonces, soluciones verdaderas.

Carbohidratos

Los glúcidos, carbohidratos, hidratos de carbono o sacáridos (del griego σάκχαρον que significa "azúcar") son moléculas orgánicas compuestas por carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O), solo algunas están fromadas por N, P o S.  Son solubles en agua y se clasifican de acuerdo a la cantidad de carbonos o por el grupo funcional aldehido. Son la forma biológica primaria de almacenamiento y consumo de energía y son las más abundantes.  Otras biomoléculas energéticas son las grasas y, en menor medida, las proteínas.

     El término "hidrato de carbono" o "carbohidrato" es poco apropiado, ya que estas moléculas no son átomos de carbono hidratados, es decir, enlazados a moléculas de agua, sino que constan de átomos de carbono unidos a otros grupos funcionales. Este nombre proviene de la nomenclatura química del siglo XIX, ya que las primeras sustancias aisladas respondían a la fórmula elemental C_n(H₂O)_n (donde "n" es un entero=De 3 en adelante; según el número de átomos). De aquí que el término "carbono-hidratado" se haya mantenido, si bien posteriormente se vio que otras moléculas con las mismas características químicas no se corresponden con esta fórmula. Además, los textos científicos anglosajones aún insisten en denominarlos carbohydrates lo que induce a pensar que este es su nombre correcto. Del mismo modo, en dietética, se usa con más frecuencia la denominación de carbohidratos.

     Los glúcidos pueden sufrir reacciones de esterificación, aminación, reducción, oxidación, lo cual otorga a cada una de las estructuras una propiedad especifica, como puede ser de solubilidad.

    

Estas biomoléculas tienen varias funciones, desde energéticas a señales de localización intracelular (clicocálix). Son principalmente, polihidroxialdehidos y polihidroxicetonas. Su fórmula empírica es (CH2O)n. Se dividen en:

1. Monosacáridos
2. Oligosacáridos
3. Polisacáridos

Monosacáridos

Los monosacáridos son la principal fuente de combustible para el metabolismo, siendo usado tanto como una fuente de energía (la glucosa es la más importante en la naturaleza) y en biosíntesis. Cuando los monosacáridos no son necesitados para las células son rápidamente convertidos en otra forma, tales como los polisacáridos. Cuando son metabolizados por la microflora residente oral, conocida como biopelícula, los mónosacáridos y disacáridos, particularmente la sacarosa son los principales responsables de la caries dental.

     Los monosacáridos son la subunidad menor de los carbohidratos. Su nomenclatura tiene relación al número de carbonos que presentan:

                                                                  Noten que todas terminan en OSA

Los monosacáridos no son hidrolizables y a partir de 7C se vuelven inestables. Tienen un esqueleto carbonado con grupos alcohol o hidroxilo y son portadores del grupo aldehído (aldosas) o cetónico (cetosas).  Son solubles en agua, dulces, cristalinos y blancos. También presentan la característica de esteroisómeros (imagen de espejo) y existe solo un azúcar que no lo es, la cetotiosa o dihidrocetona.     La fórmula general de un monosacárido no modificado es: (CH₂O)_n.

     La disposición del grupo -OH a la derecha en el carbono asimétrico determina el isómero D, si está situado a la izquierda es un isómero L. Cuando un monosacárido tiene varios esteroisómeros, todos los que poseen a la derecha el grupo OH del carbono más alejado del grupo carbonilo son de la serie D, y los que lo poseen a la izquierda son L.

     Si dos monosacáridos se diferencian solo en el -OH de un carbono se denominan epímeros. Si son imagenes o reflejos de un espejo entre sí se denominan enantiomeros.

     Si un monosacárido tiene más de 3C empieza a tener más de 1C asimétrico. El número de C estereoisómeros es igual a 2 elevado a n, siendo n el número de carbonos del monosacárido. Para una hexosa, el número de estereoisómeros es de 16, de los cuales la mitad, o sea 8 carbonos son de forma D y 8 de forma L

     La mayoría de los monosacáridos sintetizados por los organismos vivos son D isómeros debido a la especificidad de las enzimas que los sintetizan.

     Los monosacáridos son inestables por naturaleza, para estabilizarse, se ciclan, para esto los grupos aldehídos o cetonas reaccionar con un hidroxilo de la misma molécula convirtiéndola en anillo. Las hexosas se ciclan en anillo piranóbico y las pentosas en anillo furanóbico.

Cada azúcar tiene su equilibrio con respecto al tipo de anillo que se forma, ya sean o . En el caso de la Glucosa, la forma -D-glucosa lo hace en un 2/3 de la solución, mientras que la forma -D-glucosa lo hace en 1/3. Además, hay una pequeñísima parte en forma lineal.

                          Con las formas cíclicas aparece un nuevo carbono asimétrico o anómero (el que antes tenía el aldehído o cetona).

Los anómeros serán si el -OH de este nuevo carbono asimétrico queda hacia abajo y si lo hace hacia arriba en la forma cíclica. Los anillos que se forman no son planos, por lo que pueden adoptar dos formas, la de "cis" o la "trans"

                        La mayoría de los monosacáridos simples, de 3 a 7 carbonos, son dulces.

Se puede demostrar que la forma cíclica está en equilibrio con la forma lineal de un azúcar en solución acuosa, ya que la forma lineal puede ser oxidada por iones Fe+³ o Cu+² de aldehído a ácido carboxilo. Esta propiedad se denomina podre reductor de los azúcares y la tienen los monosacáridos y oligosacáridos, con entremos hemiacetálicos o hemicetálicos libres.

          Derivados de monosacáridos:

Los principales azúcares derivados son hexosas, que tienen un grupo hidroxilo sustituido por otro químico o un átomo de carbono oxidado a un ácido carboxílico. El primer tipo de derivados de azúcares son los que tienen el grupo hidroxilo del C2 reemplazado por un grupo amino (NH2) Ej.: glucosamina, galactosamina.

     Existen varios derivados de la glucosamina que tienen el grupo amino del C2 condensado con ácido acético y forman la N-acetilglucosamina, que es constituyente de la pared bacteriana. Otro derivado, también presente en la pared bacteriana, es el ácido murámico en el que el hidroxilo del C3 está condensado con ácido láctico y el ácido N-acetilmurámico, además, el grupo NH2 del C2 está condensado con ácido acético.

     Otro tipo de derivado de hexosas son las deoxiazúcares, como la fructosa y ramosa, que son derivados de la galactosa y manosa, respectivamente. En estas deoxiazúcares el hidroxilo del C6 esta reducido a H.

CH2OH--->CH3.

     Estas deoxiazúcares forman parte de las glicoproteínas y glicolípidos.

     Existen también los azúcares ácidos en los que el grupo hidroxilo del C1 está oxidado a ácido carboxílico y forman ácidos aldónicos y los otros son los que tienen el grupo aldehído del C6 oxidado a ácido carboxílico para formar ácido uranicos. Ambos tipos de ácidos forman ésteres intramoleculares que son estables, denominados lactonas. Ej.: Existe un azúcar ácido derivado del ácido de la N-acetilmanosamina llamado ácido N-acetilneurominico o ácido siálico y se encuentra presente en muchas glicoproteínas y glicolípidos

     Además, están los: azúcar fosfato, en los que las hexosas están condensadas con ácido fosfórico en el C6. Este tipo de derivados de hexosas son comunmente intermediarios metabólicos en los que el grupo fosfato activa el azúcar para que sea más reactivo y puede reaccionar con otras moléculas. Además, estos derivados fosfatados de azúcares no traspasan las membranas a menos que haya un transportador para ellas.

Oligosacáridos

Los oligosacáridos son polímeros de hasta 20 unidades de monosacáridos. La unión de los monosacáridos tiene lugar mediante enlaces glicosídicos, un tipo concreto de enlace acetálico. Los más abundantes son los disacáridos, oligosacáridos formados por dos monosacáridos, iguales o distintos. Los disacáridos pueden seguir uniéndose a otros monosacáridos por medio de enlaces glicosídicos:

Ø  si el disacárido es reductor, se unirá a otros monosacáridos por medio del OH de su carbono anomérico o de cualquier OH alcohólico

Ø  si no es reductor, se unirá únicamente por medio de grupos OH alcohólicos

Así se forman los trisacáridos, tetrasacáridos, o en general, oligosacáridos. La cadena de oligosacáridos no tiene que ser necesariamente lineal, y de hecho, con mucha frecuencia se encuentran en la naturaleza oligosacáridos y polisacáridos ramificados.

     Se ha establecido arbitrariamente un límite de 20 unidades para definir a los oligosacáridos. Por encima de este valor se habla de polisacáridos.

     Los oligosacáridos suelen estar unidos covalentemente a proteínas o a lípidos formando glicoproteínas y glicolípidos.

     Los oligosacáridos pueden unirse a las proteínas de dos formas:

Ø  mediante un enlace N-glicosídico a un grupo amida de la cadena lateral del aminoácido asparagina

Ø  mediante un enlace O-glicosídico a un grupo OH de la cadena lateral de los aminoácidos serina o treonina.

Unión N-glicosídica a una proteína Unión O-glicosídica a una proteína

 

Los oligosacáridos se unen a los lípidos mediante un enlace O-glicosídico a un grupo OH del lípido. La figura izquierda de la tabla inferior muestra un oligosacárido unido a un fosfolípido. La unión y la estructura del oligosacárido son de tal manera que éste no presenta ningún grupo reductor libre. En la composición del oligosacárido suelen formar parte monosacáridos como: D-glucosa, D-galactosa, D-manosa, N-acetil-D-glucosamina, N-acetil-D-galactosamina, ácido siálico y fucosa.

Estructura de un glicolípido La membrana plasmática

  

Los oligosacáridos que forman parte de los glicolípidos y glicoproteínas que se encuentran en la superficie externa de la membrana plasmática (figura derecha de la tabla superior) tienen una gran importancia en las funciones de reconocimiento en superficie.

Los oligosacáridos también cumplen funciones importantes cuando forman parte de las glicoproteínas solubles del citoplasma.

Los oligosacáridos están compuestos por entre dos y diez moléculas de monosacáridos que al hidrolizarse se liberan. No obstante, la definición de cuan largo debe ser un glúcido para ser considerado oligo o polisacárido varía según los autores. Según el número de monosacáridos de la cadena se tienen los disacáridos (como la lactosa ), tetrasacárido (estaquiosa), pentasacáridos, etc.

     Los oligosacáridos se encuentran con frecuencia unidos a proteínas, formando las glucoproteínas, como una forma común de modificación tras la síntesis proteica. Estas modificaciones post traduccionales incluyen los oligosacáridos de Lewis, responsables por las incompatibilidades de los grupos sanguíneos, el epítope alfa-Gal responsable del rechazo hiperagudo en xenotrasplante y O-GlcNAc modificaciones.

Polisacáridos

Los polisacáridos son cadenas largas de monosacáridos, de varios cientos o miles y que pueden ser ramificados o lineales. Los polisacáridos, a diferencia de las proteínas no tienen un peso molecular definido, ya que no son sintetizadas a partir de un molde (RNAm) como las proteínas. Su fórmula empírica es: (C6 H10 O5)n. Algunos polisacáridos incluyen la callosa, la lamiña, la rina, el xilano y la galactomanosa.

     Las que determinan el peso de un polisacárido son las enzimas responsables de todos los pasos de la síntesis que actúan secuencialmente. Existe una enzima para cada tipo de unión de cada monosacárido diferente.

     Los mecanismos que determinan el peso máximo de un polisacárido son desconocidos.

          Almidón y Glicógeno

Tanto el almidón, que pertenece a las células vegetales, como el glicógeno, de las célular animales, son pilisacáridos de almacenamiento que se acumulan formando gránulos. Estos polisacáridos están altamente hidratados ya que tienen cientos o miles de grupos OH expuestos al medio acuoso. Ambos son polímeros de glucosa en distintas estructuras.

El almidón se acumula principalmente en tubérculos y semillas de plantas, está compuesto por 2 tipos de polímeros de glucosa:

1. Amilasa (glc (alfa1-->4)glc)n polímero lineal (PM 500.000)
2. Amilopectína (glc (alfa 1-->4) glc), cada 24-30 residuos glc(alfa1-->6)glc (PM 1000000)

     El glicógeno es un polímero ramificado de glucosa como la amilopectina del almidón, salvo que las ramificaciones ocurren cada 8-12 residuos en la cadena lineal por lo que es un polímero más compacto que el almidón.

En las células animales, el glicógeno se encuentra en forma de gránulos en ciertas célular como las hepáticas y musculares. Cada molécula de glicógeno tiene un peso de varios millones y tiene asociado a la molécula las enzimas de síntesis y degradación del polímero.

     Tanto para degradar la amilopectina como el glicógeno, muchas enzimas especificas se unen a los extremos no reductores y actúan al mismo tiempo.

     La glucosa es almacenada al interior de la célula vegetal y animal como un polímero de alto peso molecular, y no como glucosa libre, ya que de esta forma contribuye poco a generar diferencia osmolar entre el interior de la célula y el medio externo (la osmolaridad está dada por el número de moléculas en solución y su diferencia con el medio externo).

          Celulosa y Quitina

Tanto la celulosa como la quitina son homo polisacáridos estructurales. La celulosa es un polímero de D-glucosa unidas por enlace glicosídico B1-4 y la quitina un polímero de N-acetilglucosamina con el mismo enlace.

     El enlace glicosídico b1-4 genera polímeros lineales más rígidos que los de la amilosa que son A1-4 y permite que varios polímeros lineales interactúen entre ellos formando fibras que son más resistentes.

     La celulosa forma la parte leñosa y resistente de muchos vegetales, la quitina compone la caparazón de muchos artrópodos.

     Los animales pueden degradar la amilosa, amilopectina y glicógeno, ya que tienen enzima A-amilasa, que hidroliza el enlace A1-4, pero no pueden degradar celulosa o quitina porque no tienen enzimas para el enlace B1-4. Solo los rumiantes (vacas, ovejas, jirafas, etc), que tienen un estómago extra llamado Rumen, en el que viven bacterias y protozoos, pueden degradar la celulosa por las celulasa secretada por estos.

          Los Glicosaminoglicanes y Protroglicanes de la matriz extracelular.

Los glicosaminoglicanes y protroglicanes son heteropolisacáridos que conforman la matriz extracelulas que existe entre las células de los tejidos animales y que le atorga la consistencia de gel.

     Los glicosaminoglicanes son polímeros lineales compuestos por la repetición de un disacárido. el disacárido es N- acetilglucosamina o N-acetilgalactosamina que está unida a un ácido urónico, muchas veces, ácido glucurónico. Los grupos OH de la N-acetilglucosamina o galactosamina están muchas veces esteficados con un grupo fosfato y sumado a los grupos carboxilo del ácido urónico le dan carga negativa al glicosaminoglicano (=forma extendida en solución)

     La forma extendida de los glicosaminoglicanes le da viscosidad a la matriz extracelular.

Existen tres tipos principales de glicosaminoglicanes:

1. ácido hialurónico
2. condroitinsulfato
3. queratan sulfato

Los proteoglicanos están compuestos por una molécula central larga de ácido hialorónico a la que se unen de forma no covalente, pequeñas proteínas (20.000) y a las que se unen de forma covalente otros glicosaminoglicanos como el condratán sulfato, el queratín sulfato, hiparán sulfato y dermatán sulfato.

     Los glicosaminoglicanes antes mencionados están unidos covalentemente a una proteína a través de residuos de serina de las proteínas y tienen en genral forma de árbol cuando el conjunto de ellos se acopla a la forma central del ácido hialurónico.

     Los proteoglicanos pueden llegar a ser moléculas inmensas que se entremezclan con las fibras de colágeno y elastina para formar la matriz extracelular.Se unen a ciertas proteínas de membrana, y estas se unen a su vez a proteínas integrales de membrana llamadas integrinas. De esta forma se anclan los proteoglicanos de la matriz extracelular a la célula. 

          Las glicoproteínas

La mayoría de las proteínas que son secretadas por las células eucariótica son glicoproteínas.

     En las glicoproteínas, la proporción de azúcares, comparado con la proteína, es de 1 a 70 (menos que en los protroglicanos)

     La cadena de azúcares unidos a una proteína le da una gran carga negativa en la razón de unión y la cadena de azúcares toma una forma más bien lineal y extendida que protege a la proteína del ataque de enzimas proteolítica.

     Los oligosacáridos unidos a proteínas son generalmente heterooligosacáridos, en los que se combinan diferentes monosacáridos con diferentes tipos de uniones (1-3, 1-4. 1-2, 1-6, 2-3) y en los que los monosacáridos están en conformación A o 2.

     Puede haber varias cadenas de oligosacáridos unidos a una misma proteína. Las cadenas pueden ser cortas o largas, y lineales o ramificadas.

     Los oligosacáridos se unen a la proteína a través de un enlace O-glicosídico cuando el azúcar terminal se une al OH de una serina o treonina, o a un enlace N-glicosídico cuando el azúcar se una a una asparagina.

     La enorme cantidad de azúcares que existen, le dan una variabilidad muy grande a las glicoproteínas. Estas cadenas de oligosacáridos deben también ser reconocidas por las enzimas y receptores que interactúan con la glicoproteína. Al parecer, estas complejas cadenas de oligosacáridos codifican para información que determina la estructura terciaria de la proteína, la ubicación de ella dentro de la célula y la manera en que será reconocida por una enzima o receptor.

           Enlace glucosídico

Existen dos tipos de enlaces glucosídicos, el O y el N:

Enlace O-glucosídico

Los monosacáridos de unen a través de este enlace, que se realiza entre el grupo hidroxilo del monosacárido 1 y el carbono anomérico del monosacárido 2, deshidratandose ambos, al formar una molécula de agua.

Las uniones glicosídicas pueden ser hidrolizadas por ácidos débiles en caliente. El C anomérico de un azúcar puede reaccionar con un átoma de N para formar un enlace N-glicóndico como en el caso de los nucleótidos.

Enlace N-Glucosídico

Realizado entre un grupo OH y un compuesto aminado, para formar aminoazúcares

                              Aplicaciones de los carbohidratos

Los carbohidratos se utilizan para fabricar tejidos, películas fotográficas, plásticos y otros productos. La celulosa se puede convertir en rayón de viscosa y productos de papel. El nitrato de celulosa (nitrocelulosa) se utiliza en películas de cine, cemento, pólvora de algodón, celuloide y tipos similares de plásticos. El almidón y la pectina, un agente cuajante, se usan en la preparación de alimentos para el hombre y el ganado. La goma arábiga se usa en medicamentos demulcentes. El agar, un componente de algunos laxantes, se utiliza como agente espesante en los alimentos y como medio para el cultivo bacteriano; también en la preparación de materiales adhesivos, de encolado y emulsiones. La hemicelulosa se emplea para modificar el papel durante su fabricación. Los dextranos son polisacáridos utilizados en medicina como expansores de volumen del plasma sanguíneo para contrarrestar las conmociones agudas. Otro hidrato de carbono, el sulfato de heparina, es un anticoagulante de la sangre.