Macromolécula

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Una macromolécula es una molécula muy grande importante para los procesos biológicos , como una proteína o un ácido nucleico . Está compuesta 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 las moléculas no poliméricas grandes como los lípidos , los nanogeles y los macrociclos . ^[1] Las fibras sintéticas y los materiales experimentales como los nanotubos de carbono ^{[2] [3]} también son ejemplos de macromoléculas.

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). ^[5] En ese momento, el término polímero , introducido por Berzelius en 1832, tenía un significado diferente al de hoy: simplemente era otra forma de isomería , por ejemplo, con benceno y acetileno y tenía poco que ver con el tamaño. ^[6]

El uso del término para describir moléculas grandes varía entre las distintas disciplinas. Por ejemplo, mientras que en biología las macromoléculas son las cuatro moléculas grandes que componen los seres vivos, en química el término puede referirse a agregados de dos o más moléculas que se mantienen unidas por fuerzas intermoleculares en lugar de enlaces covalentes , pero que no se disocian fácilmente. ^[7]

Según la definición estándar de la IUPAC , el término macromolécula , tal como se utiliza en la ciencia de los polímeros, se refiere únicamente a una única molécula. Por ejemplo, una única 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. ^[8]

Debido a su tamaño, las macromoléculas no se describen convenientemente en términos de estequiometría únicamente. La estructura de macromoléculas simples, como los homopolímeros, se puede describir 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 estructuras utilizada para describir las proteínas . En inglés británico , la palabra "macromolécula" tiende a denominarse " alto polímero ".

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Las macromoléculas a menudo tienen propiedades físicas inusuales que no ocurren en moléculas más pequeñas. ^{[ ¿Cómo? ]}

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

Las 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 aglomeración macromolecular . ^[9] Esto proviene de que las macromoléculas excluyen a otras moléculas de una gran parte del volumen de la solución, aumentando así las concentraciones efectivas de estas moléculas.

Todos los organismos vivos dependen de tres biopolímeros esenciales para sus funciones biológicas: ADN , ARN y proteínas . ^[10] Cada una de estas moléculas es necesaria para la vida, ya que cada una desempeña un papel distinto e indispensable en la célula . ^[11] El resumen simple es que el ADN produce ARN, y luego el ARN produce proteínas .

El ADN, el ARN y las proteínas están compuestos por 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 pueden representarse en forma de cadena. De hecho, pueden verse como una cadena de cuentas, en la que cada cuenta representa un único nucleótido o monómero de aminoácido unido mediante 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 Watson-Crick (G–C y A–T o A–U), aunque pueden ocurrir y ocurren muchas interacciones más complicadas.

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

Por el contrario, tanto el ARN como las proteínas son normalmente 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 bolsillos de unión específicos y la capacidad de catalizar reacciones bioquímicas.

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. ^[12]

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, la información de la secuencia de una molécula de proteína no es utilizada por las células para codificar funcionalmente la información genética. ^{[1] : 5}

El ADN tiene tres atributos principales que le permiten codificar mejor que el ARN la información genética. En primer lugar, 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 degradación que el ARN, un atributo asociado principalmente con la ausencia del grupo 2'-hidroxilo en cada nucleótido del ADN. En tercer lugar, existen sistemas de vigilancia y reparación del ADN altamente sofisticados que controlan los daños en el 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 son macromoléculas funcionales responsables de catalizar las reacciones bioquímicas que sustentan la vida. ^{[1] : 3} Las proteínas llevan a cabo todas las funciones de un organismo, por ejemplo, la fotosíntesis, la función neuronal, la visión y el movimiento. ^[13]

La naturaleza monocatenaria de las moléculas de proteínas, 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 proporciona bolsillos de unión a través de los cuales pueden interactuar específicamente con todo tipo de moléculas. Además, la diversidad química de los diferentes aminoácidos, junto con los diferentes entornos químicos proporcionados por 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, su función principal es codificar proteínas , de acuerdo con las instrucciones dentro del ADN de una célula. ^{[1] : 5} 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 todas las células y los genomas de ARN de un gran número de virus. La naturaleza monocatenaria del ARN, junto con su 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 información genética como lo es el ADN.

Además, el ARN es un polímero monocatenario que, al igual que las proteínas, puede plegarse en una gran cantidad 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 bloques de construcción del ARN (4 nucleótidos frente a >20 aminoácidos en las proteínas), junto con su falta de diversidad química, da como resultado que el ARN catalítico ( ribozimas ) sea generalmente un catalizador menos eficaz que las proteínas para la mayoría de las reacciones biológicas.

Las principales macromoléculas:

Las macromoléculas de carbohidratos ( polisacáridos ) se forman a partir de polímeros de monosacáridos . ^{[1] : 11} 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 depósitos 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 están constituidos por una estructura ramificada de múltiples subunidades fenólicas . Pueden desempeñar funciones estructurales (p. ej., lignina ) así como funciones como metabolitos secundarios involucrados en la señalización , la pigmentación y la defensa .

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

• Lista de estructuras cristalinas macromoleculares de importancia biofísica
• Molécula pequeña
• Materia blanda

• Sinopsis del capítulo 5, Campbell & Reece, 2002
• Apuntes de clase sobre la estructura y función de las macromoléculas
• Varios cursos introductorios (gratuitos) sobre macromoléculas basados ​​en Internet Archivado el 18 de julio de 2011 en Wayback Machine
• Moléculas gigantes, de Ulysses Magee, ISSA Review Winter 2002–2003, ISSN  1540-9864. Versión HTML en caché de un archivo PDF faltante. Recuperado el 10 de marzo de 2010. El artículo está basado en el libro Inventing Polymer Science: Staudinger, Carothers, and the Emergence of Macromolecular Chemistry de Yasu Furukawa.