Macromolécula

Una macromolécula es una molécula muy grande importante para los procesos biofísicos, como una proteína o un ácido nucleico. Están compuestos por miles de átomos unidos covalentemente. Muchas macromoléculas son polímeros de moléculas más pequeñas llamadas monómeros. Las macromoléculas más comunes en bioquímica son los biopolímeros (ácidos nucleicos, proteínas y carbohidratos) y grandes moléculas no poliméricas como lípidos, nanogeles y macrociclos. Las fibras sintéticas y los materiales experimentales como los nanotubos de carbono también son ejemplos de macromoléculas.

Definición

Macromolécula
Molécula grande

Molécula de masa molecular relativa elevada, cuya estructura
consiste esencialmente en la repetición múltiple de unidades derivadas, real o conceptualmente, de
moléculas de masa molecular relativa baja.notas

1. En muchos casos, especialmente en el caso de los polímeros sintéticos, se puede considerar
que una molécula tiene una masa molecular relativa alta si la adición o eliminación de una o
algunas de las unidades tiene un efecto insignificante en las propiedades moleculares. Esta afirmación
falla en el caso de ciertas macromoléculas cuyas propiedades pueden
depender críticamente de los detalles finos de la estructura molecular.
2. Si una parte o la totalidad de la molécula se ajusta a esta definición, puede describirse
como macromolecular o polimérica, o como polímero usado como adjetivo.

El término macromolécula ( macro- + molécula ) fue acuñado por el premio Nobel Hermann Staudinger en la década de 1920, aunque su primera publicación relevante en este campo solo menciona compuestos de alto peso molecular (más de 1.000 átomos). En ese momento, el término polímero, tal como lo introdujo Berzelius en 1832, tenía un significado diferente al actual: simplemente era otra forma de isomería, por ejemplo, con benceno y acetileno y tenía poco que ver con el tamaño.

El uso del término para describir moléculas grandes varía entre las disciplinas. Por ejemplo, mientras que la biología se refiere a las macromoléculas como las cuatro moléculas grandes que componen los seres vivos, en química, el término puede referirse a agregados de dos o más moléculas unidas por fuerzas intermoleculares en lugar de enlaces covalentes, pero que no se disocian fácilmente.

De acuerdo con la definición estándar de la IUPAC, el término macromolécula, tal como se usa en la ciencia de los polímeros, se refiere solo a una sola molécula. Por ejemplo, una sola molécula polimérica se describe apropiadamente como una "macromolécula" o "molécula de polímero" en lugar de un "polímero", lo que sugiere una sustancia compuesta de macromoléculas.

Debido a su tamaño, las macromoléculas no se describen convenientemente en términos de estequiometría solamente. La estructura de macromoléculas simples, como los homopolímeros, puede describirse en términos de la subunidad monomérica individual y la masa molecular total. Las biomacromoléculas complicadas, por otro lado, requieren una descripción estructural multifacética, como la jerarquía de las estructuras utilizadas para describir las proteínas. En inglés británico, la palabra "macromolécula" tiende a denominarse " alto polímero ".

Propiedades

Las macromoléculas a menudo tienen propiedades físicas inusuales que no ocurren en moléculas más pequeñas.

Otra propiedad macromolecular común que no caracteriza a las moléculas más pequeñas es su relativa insolubilidad en agua y disolventes similares, formando en su lugar coloides. Muchos requieren sales o iones particulares para disolverse en agua. De manera similar, muchas proteínas se desnaturalizarán si la concentración de soluto de su solución es demasiado alta o demasiado baja.

Altas concentraciones de macromoléculas en una solución pueden alterar las velocidades y las constantes de equilibrio de las reacciones de otras macromoléculas, a través de un efecto conocido como apiñamiento macromolecular. Este proviene de macromoléculas que excluyen a otras moléculas de una gran parte del volumen de la solución, aumentando así las concentraciones efectivas de estas moléculas.

Biopolímeros lineales

Todos los organismos vivos dependen de tres biopolímeros esenciales para sus funciones biológicas: ADN, ARN y proteínas. Cada una de estas moléculas es necesaria para la vida, ya que cada una desempeña un papel distinto e indispensable en la célula. El resumen simple es que el ADN produce ARN, y luego el ARN produce proteínas.

El ADN, el ARN y las proteínas consisten todos en una estructura repetitiva de bloques de construcción relacionados (nucleótidos en el caso del ADN y el ARN, aminoácidos en el caso de las proteínas). En general, todos son polímeros no ramificados, por lo que se pueden representar en forma de cadena. De hecho, pueden verse como una sarta de cuentas, cada una de las cuales representa un único monómero de nucleótido o aminoácido unido entre sí a través de enlaces químicos covalentes en una cadena muy larga.

En la mayoría de los casos, los monómeros dentro de la cadena tienen una fuerte propensión a interactuar con otros aminoácidos o nucleótidos. En el ADN y el ARN, esto puede tomar la forma de pares de bases de Watson-Crick (GC y AT o AU), aunque pueden ocurrir y ocurren muchas interacciones más complicadas.

Características estructurales

	ADN	ARN	Proteínas
Codifica la información genética	Sí	Sí	No
Cataliza reacciones biológicas.	No	Sí	Sí
Bloques de construcción (tipo)	nucleótidos	nucleótidos	Aminoácidos
Bloques de construcción (número)	4	4	20
varamiento	Doble	Soltero	Soltero
Estructura	Doble hélice	Complejo	Complejo
Estabilidad a la degradación	Alto	Variable	Variable
Sistemas de reparación	Sí	No	No

Debido a la naturaleza de doble cadena del ADN, esencialmente todos los nucleótidos toman la forma de pares de bases de Watson-Crick entre los nucleótidos de las dos cadenas complementarias de la doble hélice.

Por el contrario, tanto el ARN como las proteínas normalmente son monocatenarios. Por lo tanto, no están limitados por la geometría regular de la doble hélice del ADN y, por lo tanto, se pliegan en formas tridimensionales complejas que dependen de su secuencia. Estas diferentes formas son responsables de muchas de las propiedades comunes del ARN y las proteínas, incluida la formación de bolsas de unión específicas y la capacidad de catalizar reacciones bioquímicas.

El ADN está optimizado para codificar información.

El ADN es una macromolécula de almacenamiento de información que codifica el conjunto completo de instrucciones (el genoma) que se requieren para ensamblar, mantener y reproducir cada organismo vivo.

Tanto el ADN como el ARN son capaces de codificar información genética, porque existen mecanismos bioquímicos que leen la información codificada dentro de una secuencia de ADN o ARN y la utilizan para generar una proteína específica. Por otro lado, las células no utilizan la información de secuencia de una molécula de proteína para codificar funcionalmente la información genética.

El ADN tiene tres atributos principales que le permiten ser mucho mejor que el ARN para codificar información genética. Primero, normalmente es de doble cadena, de modo que hay un mínimo de dos copias de la información que codifica cada gen en cada célula. En segundo lugar, el ADN tiene una estabilidad mucho mayor frente a la descomposición que el ARN, un atributo asociado principalmente con la ausencia del grupo 2'-hidroxilo dentro de cada nucleótido de ADN. En tercer lugar, existen sistemas de vigilancia y reparación de ADN altamente sofisticados que monitorean el daño al ADN y reparan la secuencia cuando es necesario. No han evolucionado sistemas análogos para reparar moléculas de ARN dañadas. En consecuencia, los cromosomas pueden contener muchos miles de millones de átomos, dispuestos en una estructura química específica.

Las proteínas están optimizadas para la catálisis.

Las proteínas son macromoléculas funcionales responsables de catalizar las reacciones bioquímicas que sustentan la vida. Las proteínas llevan a cabo todas las funciones de un organismo, por ejemplo, la fotosíntesis, la función neural, la visión y el movimiento.

La naturaleza monocatenaria de las moléculas de proteína, junto con su composición de 20 o más bloques de construcción de aminoácidos diferentes, les permite plegarse en una gran cantidad de formas tridimensionales diferentes, al tiempo que proporcionan bolsas de unión a través de las cuales pueden interactuar específicamente con todo tipo de moléculas. Además, la diversidad química de los diferentes aminoácidos, junto con los diferentes entornos químicos que ofrece la estructura 3D local, permite que muchas proteínas actúen como enzimas, catalizando una amplia gama de transformaciones bioquímicas específicas dentro de las células. Además, las proteínas han desarrollado la capacidad de unirse a una amplia gama de cofactores y coenzimas, moléculas más pequeñas que pueden dotar a la proteína de actividades específicas más allá de las asociadas con la cadena polipeptídica sola.

El ARN es multifuncional.

El ARN es multifuncional, su función principal es codificar proteínas, de acuerdo con las instrucciones dentro del ADN de una célula. Controlan y regulan muchos aspectos de la síntesis de proteínas en eucariotas.

El ARN codifica información genética que puede traducirse en la secuencia de aminoácidos de las proteínas, como lo demuestran las moléculas de ARN mensajero presentes en cada célula y los genomas de ARN de una gran cantidad de virus. La naturaleza monocatenaria del ARN, junto con la tendencia a la descomposición rápida y la falta de sistemas de reparación, significa que el ARN no es tan adecuado para el almacenamiento a largo plazo de la información genética como lo es el ADN.

Además, el ARN es un polímero monocatenario que, al igual que las proteínas, puede plegarse en un gran número de estructuras tridimensionales. Algunas de estas estructuras proporcionan sitios de unión para otras moléculas y centros químicamente activos que pueden catalizar reacciones químicas específicas en esas moléculas unidas. El número limitado de diferentes componentes básicos del ARN (4 nucleótidos frente a >20 aminoácidos en las proteínas), junto con su falta de diversidad química, hace que el ARN catalítico (ribozimas) sea generalmente un catalizador menos eficaz que las proteínas para la mayoría de las reacciones biológicas.

Las principales macromoléculas:

macromolécula(Polímero)	Bloque de construcción(monómero)	Lazos que los unen
Proteínas	Aminoácidos	péptido
Ácidos nucleicos		Fosfodiéster
ADN	Nucleótidos (un fosfato, ribosa y una base: adenina, guanina, timina o citosina)
ARN	Nucleótidos (un fosfato, ribosa y una base: adenina, guanina, uracilo o citosina)
polisacáridos	Monosacáridos	glucosídico
lípidos	a diferencia de otras macromoléculas, los lípidos no están definidos por una estructura química. Los lípidos son cualquier molécula orgánica no polar.	Algunos lípidos se mantienen unidos por enlaces éster; algunos son enormes agregados de pequeñas moléculas que se mantienen unidas por interacciones hidrofóbicas.

Biopolímeros ramificados

Las macromoléculas de carbohidratos (polisacáridos) se forman a partir de polímeros de monosacáridos. Debido a que los monosacáridos tienen múltiples grupos funcionales, los polisacáridos pueden formar polímeros lineales (p. ej., celulosa) o estructuras ramificadas complejas (p. ej., glucógeno). Los polisacáridos desempeñan numerosas funciones en los organismos vivos, actuando como reservas de energía (p. ej., almidón) y como componentes estructurales (p. ej., quitina en artrópodos y hongos). Muchos carbohidratos contienen unidades de monosacáridos modificados a los que se les han reemplazado o eliminado grupos funcionales.

Los polifenoles consisten en una estructura ramificada de múltiples subunidades fenólicas. Pueden desempeñar funciones estructurales (p. ej., lignina), así como funciones como metabolitos secundarios implicados en la señalización, la pigmentación y la defensa.

Macromoléculas sintéticas

Algunos ejemplos de macromoléculas son los polímeros sintéticos (plásticos, fibras sintéticas y caucho sintético), el grafeno y los nanotubos de carbono. Los polímeros se pueden preparar a partir de materia inorgánica, así como, por ejemplo, en polímeros y geopolímeros inorgánicos. La incorporación de elementos inorgánicos permite ajustar las propiedades y/o el comportamiento de respuesta como, por ejemplo, en polímeros inorgánicos inteligentes.