Compuestos orgánicos esenciales para el funcionamiento humano

Los compuestos orgánicos generalmente consisten en grupos de átomos de carbono unidos covalentemente a hidrógeno, generalmente oxígeno y, a menudo, también a otros elementos. Creados por seres vivos, se encuentran en todo el mundo, en suelos y mares, productos comerciales y cada célula del cuerpo humano. Los cuatro tipos más importantes para la estructura y función humana son los carbohidratos, los lípidos, las proteínas y los nucleótidos. Antes de explorar estos compuestos, primero debe comprender la química del carbono.

La química del carbono.

Lo que hace que los compuestos orgánicos sean ubicuos es la química de su núcleo de carbono. Recuerde que los átomos de carbono tienen cuatro electrones en su capa de valencia, y que la regla del octeto dicta que los átomos tienden a reaccionar de tal manera que completen su capa de valencia con ocho electrones. Los átomos de carbono no completan sus capas de valencia donando o aceptando cuatro electrones. En cambio, comparten electrones fácilmente a través de enlaces covalentes.

Comúnmente, los átomos de carbono se comparten con otros átomos de carbono, a menudo formando una larga cadena de carbono denominada esqueleto de carbono. Sin embargo, cuando comparten, no comparten todos sus electrones exclusivamente entre sí. Por el contrario, los átomos de carbono tienden a compartir electrones con una variedad de otros elementos, uno de los cuales es siempre hidrógeno. Las agrupaciones de carbono e hidrógeno se llaman hidrocarburos. Si estudia las cifras de compuestos orgánicos en el resto de este capítulo, verá varios con cadenas de hidrocarburos en una región del compuesto.

Son posibles muchas combinaciones para llenar las cuatro "vacantes" de carbono. El carbono puede compartir electrones con oxígeno o nitrógeno u otros átomos en una región particular de un compuesto orgánico. Además, los átomos a los que se unen los átomos de carbono también pueden formar parte de un grupo funcional. Un grupo funcional es un grupo de átomos unidos por fuertes enlaces covalentes y que tienden a funcionar en reacciones químicas como una sola unidad. Puede pensar en los grupos funcionales como "camarillas" muy unidas cuyos miembros es poco probable que se separen. Cinco grupos funcionales son importantes en la fisiología humana; estos son los grupos hidroxilo, carboxilo, amino, metilo y fosfato.

Grupos funcionales importantes en fisiología humana

Grupo funcional	Forma estructural	Importancia
Hidroxilo	-O-H	Los grupos hidroxilo son polares. Son componentes de los cuatro tipos de compuestos orgánicos discutidos en este capítulo. Están involucrados en la síntesis de deshidratación y las reacciones de hidrólisis.
Carboxilo	O-C-OH	Los grupos carboxilo se encuentran dentro de los ácidos grasos, aminoácidos y muchos otros ácidos.
Amino	-N-H2	Los grupos amino se encuentran dentro de los aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas.
Metilo	-C-H3	Los grupos metilo se encuentran dentro de los aminoácidos.
Fosfato	-P-O42-	Los grupos fosfato se encuentran dentro de los fosfolípidos y nucleótidos.

La afinidad del carbono por la unión covalente significa que muchas moléculas orgánicas distintas y relativamente estables forman fácilmente moléculas más grandes y complejas. Cualquier molécula grande se denomina macromolécula (macro- = "grande"), y todos los compuestos orgánicos en esta sección se ajustan a esta descripción. Sin embargo, algunas macromoléculas están formadas por varias "copias" de unidades individuales llamadas monómero (mono- = "one"; -mer = "part"). Al igual que las cuentas en un collar largo, estos monómeros se unen mediante enlaces covalentes para formar polímeros largos (poli- = "muchos"). Hay muchos ejemplos de monómeros y polímeros entre los compuestos orgánicos.

Los monómeros forman polímeros al participar en la síntesis de deshidratación. Como se señaló anteriormente, esta reacción da como resultado la liberación de una molécula de agua. Cada monómero contribuye: uno cede un átomo de hidrógeno y el otro cede un grupo hidroxilo. Los polímeros se dividen en monómeros por hidrólisis (-lisis = "ruptura"). Los enlaces entre sus monómeros se rompen, mediante la donación de una molécula de agua, que aporta un átomo de hidrógeno a un monómero y un grupo hidroxilo al otro.

Carbohidratos

El término carbohidrato significa "carbono hidratado". Recordemos que la raíz hidro- indica agua. Un carbohidrato es una molécula compuesta de carbono, hidrógeno y oxígeno; En la mayoría de los carbohidratos, el hidrógeno y el oxígeno se encuentran en las mismas proporciones relativas de dos a uno que tienen en el agua. De hecho, la fórmula química para una molécula "genérica" de carbohidratos es (CH2O)_n.

Los carbohidratos se conocen como sacáridos, una palabra que significa "azúcares". Tres formas son importantes en el cuerpo. Los monosacáridos son los monómeros de los carbohidratos. Los disacáridos (di- = "dos") están formados por dos monómeros. Los polisacáridos son los polímeros y pueden constar de cientos a miles de monómeros.

Monosacáridos

Un monosacárido es un monómero de carbohidratos. Cinco monosacáridos son importantes en el cuerpo. Tres de estos son los azúcares hexosa, llamados así porque cada uno contiene seis átomos de carbono. Estos son glucosa, fructosa y galactosa, que se muestran en la siguiente imagen. Los monosacáridos restantes son los dos azúcares de pentosa, cada uno de los cuales contiene cinco átomos de carbono. Son ribosa y desoxirribosa.

Disacáridos

Un disacárido es un par de monosacáridos. Los disacáridos se forman mediante síntesis de deshidratación, y el enlace que los une se denomina enlace glucosídico (gluco- = "azúcar"). Tres disacáridos son importantes para los humanos. Estas son sacarosa, comúnmente conocida como azúcar de mesa; lactosa o azúcar de leche; y maltosa o azúcar de malta. Como puede ver por sus nombres comunes, los consume en su dieta; sin embargo, su cuerpo no puede usarlos directamente. En cambio, en el tracto digestivo, se dividen en sus monosacáridos componentes mediante hidrólisis.

Polisacáridos

Los polisacáridos pueden contener de unos pocos a mil o más monosacáridos. Tres son importantes para el cuerpo:

• Los almidones son polímeros de glucosa. Se producen en cadenas largas llamadas amilosa o cadenas ramificadas llamadas amilopectina, que se almacenan en alimentos de origen vegetal y son relativamente fáciles de digerir.
• El glucógeno también es un polímero de glucosa, pero se almacena en los tejidos de los animales, especialmente en los músculos y el hígado. No se considera un carbohidrato en la dieta porque queda muy poco glucógeno en los tejidos animales después del sacrificio; sin embargo, el cuerpo humano almacena el exceso de glucosa como glucógeno, nuevamente, en los músculos y el hígado.
• La celulosa, un polisacárido que es el componente principal de la pared celular de las plantas verdes, es el componente de los alimentos vegetales denominado "fibra". En humanos, la celulosa/fibra no es digerible; Sin embargo, la fibra dietética tiene muchos beneficios para la salud.

Le ayuda a sentirse lleno para que coma menos, promueve un tracto digestivo saludable y se cree que una dieta alta en fibra reduce el riesgo de enfermedades cardíacas y posiblemente algunas formas de cáncer.

Funciones de los carbohidratos.

El cuerpo obtiene carbohidratos de alimentos de origen vegetal. Los granos, las frutas y las legumbres y otras verduras proporcionan la mayor parte de los carbohidratos en la dieta humana, aunque la lactosa se encuentra en los productos lácteos.

Aunque la mayoría de las células del cuerpo pueden descomponer otros compuestos orgánicos como combustible, todas las células del cuerpo pueden usar glucosa. Además, las células nerviosas (neuronas) en el cerebro, la médula espinal y a través del sistema nervioso periférico, así como los glóbulos rojos, solo pueden usar glucosa como combustible. En la descomposición de la glucosa en energía, se producen moléculas de trifosfato de adenosina, mejor conocido como ATP. El trifosfato de adenosina (ATP) está compuesto por un azúcar ribosa, una base de adenina y tres grupos fosfato. El ATP libera energía libre cuando se rompen sus enlaces de fosfato y, por lo tanto, suministra energía a la célula. Se produce más ATP en presencia de oxígeno (O2) que en las vías que no usan oxígeno. La reacción general para la conversión de la energía en glucosa en energía almacenada en ATP se puede escribir:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + ATP

Además de ser una fuente crítica de combustible, los carbohidratos están presentes en cantidades muy pequeñas en la estructura de las células. Por ejemplo, algunas moléculas de carbohidratos se unen con proteínas para producir glucoproteínas, y otras se combinan con lípidos para producir glucolípidos, los cuales se encuentran en la membrana que encierra el contenido de las células del cuerpo.

Lípidos

Un lípido es uno de un grupo muy diverso de compuestos compuestos principalmente de hidrocarburos. Los pocos átomos de oxígeno que contienen están a menudo en la periferia de la molécula. Sus hidrocarburos no polares hacen que todos los lípidos sean hidrófobos. En el agua, los lípidos no forman una solución verdadera, pero pueden formar una emulsión, que es el término para una mezcla de soluciones que no se mezclan bien.

Triglicéridos

Un triglicérido es uno de los grupos de lípidos dietéticos más comunes, y el tipo que se encuentra más abundantemente en los tejidos corporales. Este compuesto, que comúnmente se conoce como grasa, se forma a partir de la síntesis de dos tipos de moléculas:

Una columna vertebral de glicerol en el núcleo de los triglicéridos, consta de tres átomos de carbono.

Tres ácidos grasos, largas cadenas de hidrocarburos con un grupo carboxilo y un grupo metilo en los extremos opuestos, se extienden desde cada uno de los carbonos del glicerol.

Los triglicéridos están compuestos de glicerol unido a tres ácidos grasos mediante síntesis de deshidratación. Observe que el glicerol da un átomo de hidrógeno, y los grupos carboxilo en los ácidos grasos dan cada uno un grupo hidroxilo.

Los triglicéridos se forman a través de la síntesis de deshidratación. El glicerol cede átomos de hidrógeno de sus grupos hidroxilo en cada enlace, y el grupo carboxilo en cada cadena de ácido graso cede un grupo hidroxilo. De este modo, se liberan un total de tres moléculas de agua.

Las cadenas de ácidos grasos que no tienen enlaces dobles de carbono en ninguna parte a lo largo de su longitud y, por lo tanto, contienen el número máximo de átomos de hidrógeno se denominan ácidos grasos saturados. Estas cadenas rectas y rígidas se empaquetan firmemente y son sólidas o semisólidas a temperatura ambiente (Figura a). La mantequilla y la manteca de cerdo son ejemplos, como lo es la grasa que se encuentra en un filete o en su propio cuerpo. En contraste, los ácidos grasos con un doble enlace de carbono están retorcidos en ese enlace (Figura b). Estos ácidos grasos monoinsaturados, por lo tanto, no pueden empaquetarse fuertemente, y son líquidos a temperatura ambiente. Los ácidos grasos poliinsaturados contienen dos o más enlaces dobles de carbono y también son líquidos a temperatura ambiente. Los aceites vegetales como el aceite de oliva generalmente contienen ácidos grasos monoinsaturados y poliinsaturados.

Mientras que una dieta alta en ácidos grasos saturados aumenta el riesgo de enfermedades del corazón, se cree que una dieta alta en ácidos grasos insaturados reduce el riesgo. Esto es especialmente cierto para los ácidos grasos insaturados omega-3 que se encuentran en los peces de agua fría como el salmón. Estos ácidos grasos tienen su primer doble enlace de carbono en el tercer hidrocarburo del grupo metilo (denominado extremo omega de la molécula).

Finalmente, se cree que los ácidos grasos trans que se encuentran en algunos alimentos procesados, incluidas algunas margarinas en barra y en bañera, son aún más dañinos para el corazón y los vasos sanguíneos que los ácidos grasos saturados. Las grasas trans se crean a partir de ácidos grasos insaturados (como el aceite de maíz) cuando se tratan químicamente para producir grasas parcialmente hidrogenadas.

Como grupo, los triglicéridos son una fuente importante de combustible para el cuerpo. Cuando está descansando o durmiendo, la mayoría de la energía utilizada para mantenerlo vivo se deriva de los triglicéridos almacenados en los tejidos grasos (adiposos). Los triglicéridos también estimulan la actividad física lenta y prolongada, como la jardinería o el senderismo, y contribuyen con un porcentaje modesto de energía para una actividad física vigorosa. La grasa en la dieta también ayuda a la absorción y transporte de las vitaminas no polares liposolubles A, D, E y K. Además, la grasa corporal almacenada protege y amortigua los huesos y órganos internos del cuerpo, y actúa como aislamiento para retener el calor corporal.

Los ácidos grasos también son componentes de los glicolípidos, que son compuestos grasos de azúcar que se encuentran en la membrana celular. Las lipoproteínas son compuestos en los que los triglicéridos hidrofóbicos se empaquetan en envolturas de proteínas para el transporte en fluidos corporales.

Fosfolípidos

Como su nombre lo indica, un fosfolípido es un enlace entre el componente de glicerol de un lípido y una molécula de fósforo. De hecho, los fosfolípidos son similares en estructura a los triglicéridos. Sin embargo, en lugar de tener tres ácidos grasos, se genera un fosfolípido a partir de un diglicérido, un glicerol con solo dos cadenas de ácidos grasos. El tercer sitio de unión en el glicerol es ocupado por el grupo fosfato, que a su vez está unido a una región polar de "cabeza" de la molécula. Recuerde que los triglicéridos son no polares e hidrófobos. Esto todavía es válido para la porción de ácido graso de un compuesto de fosfolípidos. Sin embargo, la cabeza de un fosfolípido contiene cargas en los grupos fosfato, así como en el átomo de nitrógeno. Estas cargas hacen que la cabeza de fosfolípidos sea hidrofílica. Por lo tanto, se dice que los fosfolípidos tienen colas hidrofóbicas, que contienen los ácidos grasos neutros y cabezas hidrofílicas, que contienen los grupos fosfato cargados y el átomo de nitrógeno.

(a) Los fosfolípidos están compuestos por dos ácidos grasos, glicerol y un grupo fosfato. (b) Los esteroles son lípidos en forma de anillo. Aquí se muestra el colesterol. (c) Las prostaglandinas se derivan de ácidos grasos insaturados. La prostaglandina E2 (PGE2) incluye grupos hidroxilo y carboxilo.

Esteroides

Un compuesto esteroide (denominado esterol) tiene como base un conjunto de cuatro anillos de hidrocarburos unidos a una variedad de otros átomos y moléculas (Imagen anterior inciso b). Aunque tanto las plantas como los animales sintetizan esteroles, el tipo que hace la contribución más importante a la estructura y función humana es el colesterol, que el hígado sintetiza en humanos y animales y también está presente en la mayoría de los alimentos de origen animal. Al igual que otros lípidos, los hidrocarburos del colesterol lo hacen hidrófobo; sin embargo, tiene una cabeza de hidroxilo polar que es hidrofílica. El colesterol es un componente importante de los ácidos biliares, compuestos que ayudan a emulsionar las grasas de la dieta. De hecho, la palabra raíz chole- se refiere a la bilis. El colesterol también es un componente básico de muchas hormonas, señalando moléculas que el cuerpo libera para regular procesos en sitios distantes. Finalmente, al igual que los fosfolípidos, las moléculas de colesterol se encuentran en la membrana celular, donde sus regiones hidrofóbicas e hidrofílicas ayudan a regular el flujo de sustancias dentro y fuera de la célula.

Prostaglandinas

Al igual que una hormona, una prostaglandina es uno de un grupo de moléculas de señalización, pero las prostaglandinas se derivan de ácidos grasos insaturados (ver  imagen anterior inciso c). Una razón por la cual los ácidos grasos omega-3 que se encuentran en el pescado son beneficiosos es que estimulan la producción de ciertas prostaglandinas que ayudan a regular aspectos de la presión arterial y la inflamación, y por lo tanto reducen el riesgo de enfermedades del corazón. Las prostaglandinas también sensibilizan los nervios al dolor. Una clase de medicamentos para aliviar el dolor llamados antiinflamatorios no esteroideos (AINE) funciona al reducir los efectos de las prostaglandinas.

Proteínas

Puede asociar proteínas con tejido muscular, pero de hecho, las proteínas son componentes críticos de todos los tejidos y órganos. Una proteína es una molécula orgánica compuesta de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Las proteínas incluyen la queratina en la epidermis de la piel que protege los tejidos subyacentes, el colágeno que se encuentra en la dermis de la piel, en los huesos y en las meninges que cubren el cerebro y la médula espinal. Las proteínas también son componentes de muchas de las sustancias químicas funcionales del cuerpo, incluidas las enzimas digestivas en el tracto digestivo, los anticuerpos, los neurotransmisores que las neuronas usan para comunicarse con otras células y las hormonas basadas en péptidos que regulan ciertas funciones del cuerpo (por ejemplo, la hormona del crecimiento ) Mientras que los carbohidratos y los lípidos están compuestos de hidrocarburos y oxígeno, todas las proteínas también contienen nitrógeno (N), y muchas contienen azufre (S), además de carbono, hidrógeno y oxígeno.

Microestructura de proteínas

Las proteínas son polímeros compuestos de monómeros que contienen nitrógeno llamados aminoácidos. Un aminoácido es una molécula compuesta por un grupo amino y un grupo carboxilo, junto con una cadena lateral variable. Solo 20 aminoácidos diferentes contribuyen a casi todas las miles de proteínas diferentes importantes en la estructura y función humana. Las proteínas del cuerpo contienen una combinación única de unas pocas docenas a unos cientos de estos 20 monómeros de aminoácidos. Los 20 aminoácidos comparten una estructura similar (siguiente imagen). Todos consisten en un átomo de carbono central al que están unidos los siguientes:

• Un átomo de hidrógeno
• Un grupo amino alcalino (básico) NH2
• Un grupo carboxilo ácido COOH
• Un grupo variable 

Estructura de un amino acido

Observe que todos los aminoácidos contienen tanto un ácido (el grupo carboxilo) como una base (el grupo amino) (amina = "que contiene nitrógeno"). Por esta razón, son excelentes amortiguadores, ayudando al cuerpo a regular el equilibrio ácido-base. Lo que distingue a los 20 aminoácidos entre sí es su grupo variable, que se conoce como una cadena lateral o un grupo R. Este grupo puede variar en tamaño y puede ser polar o no polar, dando a cada aminoácido sus características únicas. Por ejemplo, las cadenas laterales de dos aminoácidos, cisteína y metionina, contienen azufre. El azufre no participa fácilmente en los enlaces de hidrógeno, mientras que todos los demás aminoácidos sí. Esta variación influye en la forma en que se ensamblan las proteínas que contienen cisteína y metionina.

Los aminoácidos se unen mediante síntesis de deshidratación para formar polímeros de proteínas (siguiente imagen). El enlace único que mantiene unidos los aminoácidos se llama enlace peptídico. 

Un enlace peptídico es un enlace covalente entre dos aminoácidos que se forma por síntesis de deshidratación. Un péptido, de hecho, es una cadena muy corta de aminoácidos. Las cadenas que contienen menos de aproximadamente 100 aminoácidos se denominan generalmente polipéptidos en lugar de proteínas.

Diferentes aminoácidos se unen para formar péptidos, polipéptidos o proteínas a través de la síntesis de deshidratación. Los enlaces entre los aminoácidos son enlaces peptídicos.

El cuerpo puede sintetizar la mayoría de los aminoácidos a partir de componentes de otras moléculas; sin embargo, nueve no pueden sintetizarse y deben ser consumidos en la dieta. Estos son conocidos como los aminoácidos esenciales. Se dice que los aminoácidos libres disponibles para la construcción de proteínas residen en el conjunto de aminoácidos dentro de las células. Las estructuras dentro de las células usan estos aminoácidos al ensamblar proteínas. Sin embargo, si un aminoácido esencial en particular no está disponible en cantidades suficientes en el conjunto de aminoácidos, la síntesis de proteínas que lo contienen puede disminuir o incluso cesar.

Forma de las proteínas

Así como un tenedor no se puede usar para comer sopa y una cuchara no se puede usar para pinchar carne, la forma de una proteína es esencial para su función. La forma de una proteína está determinada, fundamentalmente, por la secuencia de aminoácidos de la que está hecha (siguiente imagen). La secuencia se llama estructura primaria de la proteína.

La forma de las proteínas: (a) La estructura primaria es la secuencia de aminoácidos que forman la cadena de polipéptidos. (b) La estructura secundaria, que puede tomar la forma de una hélice alfa o una lámina plegada en beta, se mantiene mediante enlaces de hidrógeno entre aminoácidos en diferentes regiones de la cadena de polipéptidos original. (c) La estructura terciaria se produce como resultado de un mayor plegamiento y unión de la estructura secundaria. (d) La estructura cuaternaria ocurre como resultado de interacciones entre dos o más subunidades terciarias. El ejemplo que se muestra aquí es la hemoglobina, una proteína en los glóbulos rojos que transporta oxígeno a los tejidos del cuerpo.

Aunque algunos polipéptidos existen como cadenas lineales, la mayoría están retorcidos o plegados en estructuras secundarias más complejas que se forman cuando se produce la unión entre aminoácidos con diferentes propiedades en diferentes regiones del polipéptido. La estructura secundaria más común es una espiral llamada hélice alfa. Si tuviera que tomar un trozo de cuerda y simplemente torcerlo en espiral, no mantendría la forma. De manera similar, una cadena de aminoácidos no podría mantener una forma espiral estable sin la ayuda de enlaces de hidrógeno, que crean puentes entre diferentes regiones de la misma cadena (imagen anterior inciso b). Con menos frecuencia, una cadena de polipéptidos puede formar una lámina plegada en beta, en la que los enlaces de hidrógeno forman puentes entre diferentes regiones de un único polipéptido que se ha plegado sobre sí mismo, o entre dos o más cadenas de polipéptidos adyacentes.

La estructura secundaria de las proteínas se pliega aún más en una forma tridimensional compacta, denominada estructura terciaria de la proteína (imagen anterior inciso c). En esta configuración, los aminoácidos que habían estado muy distantes en la cadena primaria pueden acercarse bastante a través de enlaces de hidrógeno o, en proteínas que contienen cisteína, a través de enlaces disulfuro. 

Un enlace disulfuro es un enlace covalente entre átomos de azufre en un polipéptido. A menudo, dos o más polipéptidos separados se unen para formar una proteína aún más grande con una estructura cuaternaria (imagen anterior inciso d). Las subunidades polipeptídicas que forman una estructura cuaternaria pueden ser idénticas o diferentes. Por ejemplo, la hemoglobina, la proteína que se encuentra en los glóbulos rojos está compuesta por cuatro polipéptidos terciarios, dos de los cuales se llaman cadenas alfa y dos de los cuales se llaman cadenas beta.

Cuando se exponen a calor extremo, ácidos, bases y ciertas otras sustancias, las proteínas se desnaturalizan. La desnaturalización es un cambio en la estructura de una molécula a través de medios físicos o químicos. Las proteínas desnaturalizadas pierden su forma funcional y ya no pueden realizar su trabajo. Un ejemplo cotidiano de desnaturalización de proteínas es el cuajado de la leche cuando se agrega jugo de limón ácido.

La contribución de la forma de una proteína a su función difícilmente puede exagerarse. Por ejemplo, la forma larga y delgada de las hebras de proteínas que forman el tejido muscular es esencial para su capacidad de contraerse (acortarse) y relajarse (alargarse). Como otro ejemplo, los huesos contienen hilos largos de una proteína llamada colágeno que actúa como andamiaje sobre el cual se depositan los minerales óseos. Estas proteínas alargadas, llamadas proteínas fibrosas, son fuertes y duraderas y típicamente hidrófobas.

En contraste, las proteínas globulares son globos o esferas que tienden a ser altamente reactivas y son hidrófilas. Las proteínas de hemoglobina empaquetadas en glóbulos rojos son un ejemplo (imagen anterior inciso d); Sin embargo, las proteínas globulares son abundantes en todo el cuerpo, desempeñando papeles críticos en la mayoría de las funciones corporales. Las enzimas, introducidas anteriormente como catalizadores de proteínas, son ejemplos de esto. La siguiente sección analiza más de cerca la acción de las enzimas.

Las proteínas funcionan como enzimas

Si intentaba escribir un documento, y cada vez que pulsaba una tecla en su computadora portátil, había un retraso de seis o siete minutos antes de recibir una respuesta, probablemente obtendría una computadora portátil nueva. De manera similar, sin enzimas que catalicen reacciones químicas, el cuerpo humano no funcionaría. Funciona solo porque las enzimas funcionan.

Las reacciones enzimáticas (reacciones químicas catalizadas por enzimas) comienzan cuando los sustratos se unen a la enzima. Un sustrato es un reactivo en una reacción enzimática. Esto ocurre en regiones de la enzima conocidas como sitios activos (siguiente imagen). Cualquier enzima dada cataliza solo un tipo de reacción química. Esta característica, llamada especificidad, se debe al hecho de que un sustrato con una forma y carga eléctrica particulares puede unirse solo a un sitio activo correspondiente a ese sustrato.

Debido a esta combinación de rompecabezas entre una enzima y sus sustratos, las enzimas son conocidas por su especificidad. De hecho, a medida que una enzima se une a su (s) sustrato (s), la estructura de la enzima cambia ligeramente para encontrar el mejor ajuste entre el estado de transición (un intermedio estructural entre el sustrato y el producto) y el sitio activo, al igual que un guante de goma se moldea para una mano insertada en él. Esta modificación del sitio activo en presencia de sustrato, junto con la formación simultánea del estado de transición, se denomina ajuste inducido. En general, hay una enzima específicamente adaptada para cada sustrato y, por lo tanto, para cada reacción química; Sin embargo, también hay cierta flexibilidad. Algunas enzimas tienen la capacidad de actuar sobre varios sustratos diferentes relacionados estructuralmente.

Según el modelo de ajuste inducido, el sitio activo de la enzima sufre cambios conformacionales al unirse con el sustrato (a) Los sustratos se acercan a los sitios activos en la enzima. (b) Los sustratos se unen a sitios activos, produciendo un complejo enzima-sustrato. (c) Los cambios internos en el complejo enzima-sustrato facilitan la interacción de los sustratos. (d) Se liberan productos y la enzima vuelve a su forma original, lista para facilitar otra reacción enzimática.

La unión de un sustrato produce un complejo enzima-sustrato. Es probable que las enzimas aceleren las reacciones químicas en parte porque el complejo enzima-sustrato sufre un conjunto de cambios temporales y reversibles que hacen que los sustratos se orienten entre sí en una posición óptima para facilitar su interacción. Esto promueve una mayor velocidad de reacción. La enzima luego libera el producto (s) y retoma su forma original. La enzima es libre de participar en el proceso nuevamente, y lo hará mientras permanezca el sustrato.

Otras funciones de las proteínas

Los anuncios de barras de proteína, polvos y batidos dicen que la proteína es importante para construir, reparar y mantener el tejido muscular, pero la verdad es que las proteínas contribuyen a todos los tejidos del cuerpo, desde la piel hasta las células cerebrales. Además, ciertas proteínas actúan como hormonas, mensajeros químicos que ayudan a regular las funciones del cuerpo. Por ejemplo, la hormona del crecimiento es importante para el crecimiento esquelético, entre otras funciones.

Como se señaló anteriormente, los componentes básicos y ácidos permiten que las proteínas funcionen como amortiguadores para mantener el equilibrio ácido-base, pero también ayudan a regular el equilibrio líquido-electrolito. Las proteínas atraen líquidos, y una concentración saludable de proteínas en la sangre, las células y los espacios entre las células ayuda a garantizar un equilibrio de líquidos en estos diversos "compartimentos". Además, las proteínas en la membrana celular ayudan a transportar electrolitos dentro y fuera de la célula, manteniendo estos iones en un equilibrio saludable. Al igual que los lípidos, las proteínas pueden unirse a los carbohidratos. De este modo, pueden producir glucoproteínas o proteoglucanos, los cuales tienen muchas funciones en el cuerpo.

Nucleótidos

El cuarto tipo de compuesto orgánico importante para la estructura y función humanas son los nucleótidos (siguiente imagen). Un nucleótido es uno de una clase de compuestos orgánicos compuestos por tres subunidades:

• Uno o más grupos fosfato
• Un azúcar pentosa: desoxirribosa o ribosa
• Una base que contiene nitrógeno: adenina, citosina, guanina, timina o uracilo

 Los nucleótidos pueden ensamblarse en ácidos nucleicos (ADN o ARN) o en el compuesto energético trifosfato de adenosina.

 (a) Los componentes básicos de todos los nucleótidos son uno o más grupos fosfato, un azúcar pentosa y una base que contiene nitrógeno. (b) Las bases de nucleótidos que contienen nitrógeno. (c) Los dos azúcares de pentosa de ADN y ARN.

Ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos difieren en su tipo de azúcar pentosa. El ácido desoxirribonucleico (ADN) es un nucleótido que almacena información genética. El ADN contiene desoxirribosa (llamada así porque tiene un átomo de oxígeno menos que la ribosa) más un grupo fosfato y una base que contiene nitrógeno. Las "opciones" de base para el ADN son adenina, citosina, guanina y timina. El ácido ribonucleico (ARN) es un nucleótido que contiene ribosa que ayuda a manifestar el código genético como proteína. El ARN contiene ribosa, un grupo fosfato y una base que contiene nitrógeno, pero las "opciones" de base para el ARN son adenina, citosina, guanina y uracilo.

Las bases que contienen nitrógeno adenina y guanina se clasifican como purinas. Una purina es una molécula que contiene nitrógeno con una estructura de doble anillo, que acomoda varios átomos de nitrógeno. Las bases citosina, timina (que se encuentra solo en el ADN) y uracilo (que se encuentra solo en el ARN) son piramidinas. Una pirámide es una base que contiene nitrógeno con una estructura de anillo único.

Los enlaces formados por la síntesis de deshidratación entre el azúcar pentosa de un monómero de ácido nucleico y el grupo fosfato de otro forman una "columna vertebral", de la que sobresalen las bases que contienen nitrógeno de los componentes. En el ADN, dos de estas cadenas principales se unen en sus bases salientes a través de enlaces de hidrógeno. Estos se tuercen para formar una forma conocida como doble hélice (siguiente imagen). La secuencia de bases que contienen nitrógeno dentro de una cadena de ADN forma los genes que actúan como un código molecular que instruye a las células en el ensamblaje de aminoácidos en proteínas. Los humanos tienen casi 22,000 genes en su ADN, encerrados en los 46 cromosomas dentro del núcleo de cada célula (excepto los glóbulos rojos que pierden sus núcleos durante el desarrollo). Estos genes llevan el código genético para construir el cuerpo y son únicos para cada individuo, excepto gemelos idénticos.

En contraste, el ARN consiste en una cadena simple de esqueleto de fosfato de azúcar con bases. El ARN mensajero (ARNm) se crea durante la síntesis de proteínas para llevar las instrucciones genéticas del ADN a las plantas de fabricación de proteínas de la célula en el citoplasma, los ribosomas.

Trifosfato de adenosina

El nucleótido adenosina trifosfato (ATP) está compuesto por un azúcar ribosa, una base de adenina y tres grupos fosfato (siguiente imagen). El ATP se clasifica como un compuesto de alta energía porque los dos enlaces covalentes que unen sus tres fosfatos almacenan una cantidad significativa de energía potencial. En el cuerpo, la energía liberada por estos enlaces de alta energía ayuda a alimentar las actividades del cuerpo, desde la contracción muscular hasta el transporte de sustancias dentro y fuera de las células y reacciones químicas anabólicas.

Cuando un grupo fosfato se separa del ATP, los productos son adenosina difosfato (ADP) y fosfato inorgánico (Pi). Esta reacción de hidrólisis se puede escribir:

ATP + H₂O → ADP + P_i + energía

La eliminación de un segundo fosfato deja monofosfato de adenosina (AMP) y dos grupos fosfato. Una vez más, estas reacciones también liberan la energía que se había almacenado en los enlaces fosfato-fosfato. También son reversibles, como cuando el ADP sufre fosforilación. La fosforilación es la adición de un grupo fosfato a un compuesto orgánico, en este caso, que resulta en ATP. En tales casos, el mismo nivel de energía que se había liberado durante la hidrólisis debe reinvertirse para potenciar la síntesis de deshidratación.

Las células también pueden transferir un grupo fosfato de ATP a otro compuesto orgánico. Por ejemplo, cuando la glucosa ingresa por primera vez a una célula, se transfiere un grupo fosfato del ATP, formando fosfato de glucosa (C₆H₁₂O₆ —P) y ADP. Una vez que la glucosa se fosforila de esta manera, puede almacenarse como glucógeno o metabolizarse para obtener energía inmediata.

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