Tema 66

Los compuestos orgánicos de importancia biológica, o biomoléculas, son las sustancias que constituyen los seres vivos y sostienen sus procesos vitales. Su estudio conecta la química orgánica —la química del carbono— con la bioquímica y con cuestiones de gran relevancia social como la nutrición y la salud. El tema tiene, por tanto, un doble valor: consolida los grupos funcionales y las reacciones orgánicas vistas en bloques anteriores y los aplica a un contexto cotidiano que motiva especialmente al alumnado.

Conviene recordar de entrada que la separación tajante entre química «orgánica» y «mineral» que defendía el vitalismo cayó en 1828, cuando Friedrich Wöhler sintetizó urea a partir de una sal inorgánica, el cianato de amonio. Con ello quedó claro que las moléculas de la vida obedecen las mismas leyes químicas que el resto de la materia. En este tema se identifican las principales biomoléculas, se analiza su composición química y su función biológica, y se cierra con la relación entre los alimentos y la salud.

1. Compuestos orgánicos de importancia biológica

El carbono como base de la vida

La enorme diversidad de las biomoléculas descansa en las propiedades del átomo de carbono ($Z = 6$, configuración $\mathrm{1s^2\,2s^2\,2p^2}$). Su tetravalencia y su capacidad de concatenación (formar enlaces C–C estables en cadenas, ramificaciones y ciclos) le permiten construir esqueletos de gran tamaño. Además, forma enlaces covalentes con hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y fósforo, lo que da lugar a los grupos funcionales —hidroxilo $-\mathrm{OH}$, carbonilo $-\mathrm{CO}-$, carboxilo $-\mathrm{COOH}$, amino $-\mathrm{NH_2}$, fosfato $-\mathrm{PO_4}$— responsables de la reactividad y de la función biológica.

Un rasgo esencial es la isomería, y en particular la estereoisomería. La presencia de carbonos asimétricos (quirales) genera moléculas idénticas en su fórmula pero distintas en su disposición espacial; la vida es quiral y selecciona un único enantiómero (los aminoácidos naturales son de la serie L y los azúcares, de la serie D). Emil Fischer, premio Nobel en 1902, estableció la configuración de los azúcares y creó las proyecciones que llevan su nombre.

Clasificación de las biomoléculas

Las biomoléculas se dividen en inorgánicas (agua y sales minerales) y orgánicas. El agua es el disolvente universal y el medio de las reacciones metabólicas; representa en torno al 65–70 % de la masa de un organismo. Las biomoléculas orgánicas se agrupan en cuatro grandes familias:

• Glúcidos (hidratos de carbono o azúcares).
• Lípidos (grasas y afines).
• Proteínas.
• Ácidos nucleicos (ADN y ARN).

Muchas de ellas son macromoléculas: polímeros biológicos formados por la unión, mediante reacciones de condensación (con pérdida de una molécula de agua), de unidades sencillas o monómeros —monosacáridos, aminoácidos, nucleótidos—. El proceso inverso, la hidrólisis, rompe el enlace incorporando agua y es la base de la digestión.

2. Composición química y función biológica

Glúcidos

Los glúcidos son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas y sus derivados. Su fórmula empírica aproximada, $(\mathrm{CH_2O})_n$, justifica el nombre de «hidratos de carbono». Se clasifican según su tamaño:

• Monosacáridos: no hidrolizables. Según el número de carbonos hay triosas, pentosas (ribosa y desoxirribosa, constituyentes de los ácidos nucleicos) y hexosas (glucosa, fructosa, galactosa). La glucosa,

es el combustible celular por excelencia. En disolución acuosa las pentosas y hexosas ciclan formando anillos (furanósicos o piranósicos).

• Disacáridos: dos monosacáridos unidos por un enlace O-glucosídico que se forma por condensación:

Ejemplos: sacarosa (glucosa + fructosa, el azúcar común), lactosa (glucosa + galactosa, de la leche) y maltosa (glucosa + glucosa).

• Polisacáridos: polímeros de miles de monosacáridos. Con función de reserva energética, el almidón (en vegetales, mezcla de amilosa y amilopectina) y el glucógeno (en animales), ambos con enlaces $\alpha(1\rightarrow4)$ y ramificaciones $\alpha(1\rightarrow6)$. Con función estructural, la celulosa (pared vegetal), con enlaces $\beta(1\rightarrow4)$ que el ser humano no puede hidrolizar —constituye la fibra dietética—, y la quitina del exoesqueleto de los artrópodos.

Su función principal es energética: la oxidación de la glucosa en la respiración celular libera energía,

reacción inversa de la fotosíntesis, que fija la energía solar en enlaces químicos. Los glúcidos también desempeñan papeles estructurales y de reconocimiento celular.

Lípidos

Los lípidos no se definen por una estructura común, sino por una propiedad física: son insolubles en agua y solubles en disolventes apolares (éter, cloroformo). Los principales son:

• Acilglicéridos (grasas y aceites): ésteres de glicerol con ácidos grasos. Los triglicéridos resultan de esterificar los tres hidroxilos del glicerol con tres ácidos grasos, liberando tres moléculas de agua. Los ácidos grasos pueden ser saturados (sin dobles enlaces, sólidos, como el palmítico $\mathrm{C_{15}H_{31}\text{-}COOH}$) o insaturados (con uno o varios dobles enlaces C=C, líquidos, como el oleico). Algunos, como el linoleico, son esenciales (el organismo no los sintetiza). La hidrólisis alcalina de un triglicérido, o saponificación, produce glicerol y sales de ácidos grasos (jabones):

• Fosfolípidos: derivan del glicerol con dos ácidos grasos y un grupo fosfato. Son anfipáticos (cabeza polar hidrófila y colas apolares hidrófobas), y esta dualidad explica que formen espontáneamente bicapas, la base de todas las membranas celulares.

• Esteroides: núcleo de cuatro anillos condensados. El colesterol regula la fluidez de la membrana y es precursor de hormonas sexuales, sales biliares y vitamina D.

La función de los lípidos es diversa: reserva energética de alta densidad (rinden más del doble que los glúcidos por gramo), estructural (membranas), aislante térmico y protector, y reguladora (hormonas esteroideas, vitaminas liposolubles).

Proteínas

Las proteínas son polímeros de aminoácidos, las biomoléculas más versátiles. Un aminoácido posee un grupo amino y uno carboxilo unidos al mismo carbono ($\alpha$), junto a una cadena lateral R característica:

Por su carácter anfótero, en disolución acuosa existen como zwitteriones (ion dipolar $\mathrm{H_3N^{+}-CHR-COO^{-}}$). Existen 20 aminoácidos proteinogénicos, de los cuales unos nueve son esenciales para el ser humano. Se enlazan mediante el enlace peptídico, un enlace amida $-\mathrm{CO-NH}-$ formado por condensación entre el carboxilo de uno y el amino del siguiente, con liberación de agua.

La función de una proteína depende de su forma tridimensional, que se describe en niveles de estructura:

1. Primaria: secuencia lineal de aminoácidos.
2. Secundaria: plegamientos locales estabilizados por puentes de hidrógeno, como la hélice $\alpha$ y la lámina $\beta$, descritas por Linus Pauling.
3. Terciaria: plegamiento global que da la forma funcional.
4. Cuaternaria: asociación de varias cadenas (por ejemplo, las cuatro de la hemoglobina).

La pérdida de esta estructura por calor, cambios de pH o agentes químicos es la desnaturalización, que anula la función biológica (como al cocinar un huevo). Las funciones proteicas son inmensas: estructural (colágeno, queratina), enzimática, transporte (hemoglobina), defensiva (anticuerpos), hormonal (insulina) y contráctil (actina y miosina).

Merecen mención aparte las enzimas: catalizadores biológicos que aumentan la velocidad de las reacciones metabólicas rebajando su energía de activación, con gran especificidad por su sustrato (modelo llave-cerradura).

Ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos almacenan y transmiten la información genética. Son polímeros de nucleótidos, cada uno formado por tres componentes: una pentosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada. Las bases son purinas (adenina, A; guanina, G) y pirimidinas (citosina, C; timina, T; uracilo, U). Los nucleótidos se unen entre sí por enlaces fosfodiéster.

Hay dos tipos:

• ADN (ácido desoxirribonucleico): pentosa desoxirribosa; bases A, T, G, C. Su estructura es una doble hélice (modelo de Watson y Crick, 1953, a partir de los datos de difracción de rayos X de Rosalind Franklin), con las dos cadenas antiparalelas unidas por complementariedad de bases: A con T (dos puentes de hidrógeno) y G con C (tres). Almacena el mensaje genético.

• ARN (ácido ribonucleico): pentosa ribosa; sustituye la timina por uracilo; suele ser monocatenario. Interviene en la expresión de la información (ARN mensajero, ribosómico y de transferencia).

El dogma central de la biología molecular resume el flujo de información:

por los procesos de replicación, transcripción y traducción. Otros nucleótidos, como el ATP, actúan como moneda energética de la célula.

Vitaminas y otros micronutrientes

Aunque no son macromoléculas, las vitaminas son compuestos orgánicos esenciales que el organismo necesita en pequeñas cantidades y no puede sintetizar. Se clasifican en hidrosolubles (complejo B y vitamina C, que actúan a menudo como coenzimas) y liposolubles (A, D, E y K). Su carencia provoca enfermedades específicas.

3. Los alimentos y la salud

Los alimentos son las sustancias que ingerimos para obtener nutrientes: las biomoléculas anteriores más agua y sales minerales. La nutrición engloba la obtención de energía y de los materiales para construir y reparar el organismo.

Los nutrientes se clasifican en:

• Macronutrientes: glúcidos, lípidos y proteínas, necesarios en gran cantidad.
• Micronutrientes: vitaminas y minerales, necesarios en cantidades ínfimas pero imprescindibles.

El valor energético de un alimento se mide por el calor que libera su oxidación completa (calorimetría), y se expresa en kilocalorías o kilojulios ($1\ \mathrm{kcal} = 4{,}184\ \mathrm{kJ}$). Los aportes medios son:

• Glúcidos: $\approx 4\ \mathrm{kcal\,g^{-1}}$ ($17\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}$).
• Proteínas: $\approx 4\ \mathrm{kcal\,g^{-1}}$ ($17\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}$).
• Lípidos: $\approx 9\ \mathrm{kcal\,g^{-1}}$ ($38\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}$).

Una dieta equilibrada cubre las necesidades energéticas y aporta todos los nutrientes en proporciones adecuadas: en torno a un 50–55 % de la energía a partir de glúcidos (preferentemente complejos), un 30–35 % de lípidos (con predominio de insaturados) y un 12–15 % de proteínas, además de fibra, agua, vitaminas y minerales. La dieta mediterránea es un modelo reconocido de alimentación saludable.

Los desequilibrios nutricionales tienen consecuencias claras para la salud:

• Por exceso: el consumo elevado de azúcares libres y de grasas saturadas y trans se asocia a obesidad, diabetes tipo 2 y enfermedades cardiovasculares (el exceso de colesterol LDL favorece la aterosclerosis).
• Por defecto o carencia: la falta de vitamina C produce escorbuto; la de vitamina D, raquitismo; la de hierro, anemia; la de yodo, alteraciones del tiroides.

La química también interviene en la seguridad y conservación de los alimentos (aditivos, antioxidantes que frenan el enranciamiento de las grasas, control de la reacción de Maillard, etc.) y en el etiquetado nutricional, que permite al consumidor tomar decisiones informadas. Educar en una lectura crítica de esa información es una finalidad formativa de primer orden.

Aplicación didáctica

En el currículo LOMLOE (Real Decreto 217/2022), los contenidos de este tema se distribuyen entre la Física y Química y la Biología y Geología. La química del carbono y los grupos funcionales se abordan en 4.º de ESO y culminan en la Química de 2.º de Bachillerato; el estudio de las biomoléculas y de la nutrición se trata de forma coordinada con Biología. El bloque conecta directamente con la competencia STEM y con la educación para la salud y el consumo responsable, ejes transversales del currículo.

Es un tema idóneo para plantear situaciones de aprendizaje contextualizadas: analizar etiquetas nutricionales y calcular el aporte energético de un menú, identificar biomoléculas con reactivos sencillos (Fehling para azúcares reductores, Biuret para proteínas, Sudán III o la prueba de la mancha para lípidos, lugol para el almidón), o debatir sobre dietas y publicidad alimentaria. Estas prácticas desarrollan la indagación y el pensamiento crítico.

Conviene anticipar ideas previas y errores frecuentes: confundir «orgánico» en sentido químico con «ecológico» en sentido comercial; creer que las grasas son siempre perjudiciales (ignorando su función estructural y las esenciales); pensar que las proteínas de la dieta se incorporan directamente como proteínas propias (cuando se hidrolizan a aminoácidos); o identificar «calorías» con algo negativo en lugar de una unidad de energía. El trabajo con modelos moleculares y con contextos reales resulta especialmente eficaz para corregir estas concepciones.

Conclusión

Las biomoléculas —glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos— son la expresión química de la vida, y su diversidad se apoya en las singulares propiedades del átomo de carbono. Cada familia combina una composición química precisa con una función biológica específica: energética y estructural en glúcidos y lípidos, funcional y catalítica en las proteínas, e informativa en los ácidos nucleicos. La comprensión de esta relación estructura-función culmina en el estudio de los alimentos y la salud, donde la química adquiere un valor formativo y social inmediato al fundamentar una alimentación equilibrada y un consumo responsable. El tema tiende así un puente entre la química orgánica, la bioquímica y la educación para la salud, cerrando el bloque de la química del carbono con su aplicación más humana.