LAS MOLÉCULAS DE LA VIDA

La UNED tiene muchas luces y sombras (seguramente más sombras que luces), el Curso cero de Fundamentos de Biología para Psicólogos es una de esas luces. En esta entrada reproducimos textualmente la Unidad didáctica I de dicho curso, que corresponde con el excelente manual “Abril Alonso, A. (2005). Fundamentos biológicos de la conducta (2ª ed., 2ª reimp. ed.). Madrid: Sanz y Torres”.

ELEMENTOS QUÍMICOS DE LA MATERIA VIVA

La química de los seres vivos tiene algunas características particulares. Aparte del agua, las moléculas que constituyen la célula viva son compuestos que contienen carbono, elemento que destaca por su capacidad para formar moléculas grandes y complejas, cuyas propiedades van a permitir a las células y a los organismos crecer, reproducirse y realizar todas las funciones que les caracterizan.

La materia está constituida por la combinación de elementos químicos, sustancias como el hidrógeno o el carbono que no pueden descomponerse en otras sustancias diferentes por medios químicos. De los 92 elementos químicos que existen en la naturaleza, tan sólo 30 son esenciales para los organismos vivos, y de éstos, cuatro: el carbono (C), el hidrógeno (H), el nitrógeno (N) y el oxígeno (O), constituyen el 96.5% del peso total.

Esta composición es muy distinta a la de la corteza terrestre lo que pone de manifiesto la peculiaridad de la composición química de los organismos cuyo estudio es el objetivo de la Bioquímica. Además de los elementos indicados, otros elementos esenciales para la vida son el sodio, el potasio, el calcio, el fósforo, el azufre y el cloro. Éstos forman parte de la estructura de la célula y deben estar presentes en pequeñas cantidades en la dieta diaria. Otros elementos como el hierro, el zinc, el magnesio, el yodo, el cobre, o el manganeso, a los que se conoce como oligoelementos, aunque necesarios en cantidades mínimas, resultan indispensables para la vida debido a que la mayoría de ellos son necesarios para la función de determinadas enzimas.

ÁTOMOS

La partícula más pequeña de un elemento que posee todas las propiedades químicas características de éste, es el átomo. Puede que piensen que en un texto como éste hablar del átomo no tiene mucho sentido, pero esto no es así si tenemos en cuenta que las características de toda materia, incluida la de los seres vivos, dependen de cómo los átomos se unen entre sí para formar moléculas y que las reacciones químicas que entre los átomos se producen constituyen la base de todos los procesos vitales.

En el centro de cada átomo hay un núcleo donde se concentra la mayoría de la masa, que está rodeado a alguna distancia por partículas cargadas negativamente (los electrones), que se mantienen en órbita alrededor del núcleo por la atracción electrostática que éste ejerce. En el núcleo se encuentran dos tipos de partículas: los protones, que poseen carga eléctrica positiva, y los neutrones que son partículas con una masa similar a la de los protones pero sin carga eléctrica. Los átomos se distinguen por el número de protones que contienen, cantidad que constituye el número atómico.

Los átomos se unen entre sí para formar moléculas. Para entender cómo tiene lugar esta unión hemos de prestar especial atención a sus electrones, ya que son los que van a determinar las reglas por las que los átomos se combinan para formar moléculas. Los electrones están en continuo movimiento alrededor
del núcleo a una velocidad próxima a la de la luz. El movimiento de los electrones se produce ajustándose a lo que habitualmente se denominan órbitas y el número de electrones que se pueden mover en una órbita determinada es limitado. La distancia que separa a los electrones del núcleo es diferente para los
distintos electrones de un átomo y de ella depende la cantidad de energía de cada electrón. Los electrones situados más cerca del núcleo tienen menor energía y, lógicamente, a mayor cantidad de energía, más se aleja un electrón del núcleo.

Las reacciones químicas que se producen entre átomos dependen del número y distribución de los electrones. En cualquier átomo, los electrones que ocupan el nivel inferior de energía, primer nivel energético, se sitúan en un orbital próximo al núcleo que puede contener un máximo de dos electrones. El segundo nivel energético puede contener hasta 8 electrones, lo mismo que el tercer nivel. Los átomos con un número atómico superior a 18, cubren un cuarto nivel de energía. Las moléculas con átomos con más de cuatro niveles energéticos son muy raras entre los seres vivos.

La estabilidad del átomo depende de que sus electrones estén en los niveles de energía más inferiores y de que éstos estén completos. Así, con algunas excepciones en los átomos más grandes, los electrones de un átomo van completando en orden cada uno de los niveles. Cuando el primero está lleno, se sitúan en el segundo y así sucesivamente. Un átomo que tiene todos sus niveles energéticos completos es especialmente estable y no reacciona químicamente. La mayoría de los átomos de la materia viva tienen distribuciones electrónicas inestables por lo que reaccionan entre sí para alcanzar la estabilidad y de esta manera forman las moléculas.

Enlaces Químicos

Los enlaces químicos permiten adquirir a los átomos una estructura electrónica estable y energéticamente favorable. Los dos principales tipos de enlaces son el enlace iónico y el enlace covalente. Cuando los átomos pierden o ganan electrones, los átomos quedan eléctricamente cargados y se denominan iones.

El enlace iónico se produce cuando los electrones son transferidos de un átomo a otro. Para explicar este enlace se suele recurrir, como ejemplo, a la molécula de cloruro sódico (NaCl).

Como puede ver en la Figura 2.5, el átomo de cloro (número atómico 17) puede completar su capa más externa ganando un electrón y, en contraposición, el átomo de sodio (número atómico 11) sólo tiene un electrón en su nivel energético exterior. Por tanto, si se produce el encuentro del sodio (Na) y el cloro (Cl), el electrón del Na es atraído por el átomo de Cl, pasando de un átomo a otro.

El enlace iónico se producen entre iones con cargas opuestas. Como más adelante explicaremos, debido a la interacción favorable entre las moléculas de agua y los iones, muchas de las moléculas formadas por enlaces iónicos son muy solubles en agua, disociándose fácilmente en iones libres, tales como Cl y Na+ cuando disolvemos la sal común.

Otra forma que tienen los átomos de tener completo su nivel energético externo es compartiendo electrones. El enlace covalente se forma cuando dos átomos comparten al menos un par de electrones. Manteniéndose juntos los átomos, pueden compartir sus electrones y de esta manera completar los niveles energéticos externos con electrones que modifican sus órbitas para estar parte del tiempo en un núcleo y parte en el otro. La molécula de hidrógeno (H2) es el ejemplo más sencillo de molécula formada mediante enlace covalente; dos átomos de hidrógeno, cada uno con un único electrón, comparten sus electrones y así completan su primer nivel energético.

El átomo de carbono con cuatro electrones en el nivel externo puede formar cuatro enlaces covalentes con cuatro átomos distintos lo que da lugar a un número infinita-mente elevado de compuestos y, lo que es más importante, puede unirse a otros átomos de carbono para formar las moléculas grandes y complejas que componen los seres vivos. Cuando un átomo establece enlaces covalentes con otros átomos, estos enlaces múltiples tienen una orientación determinada que refleja la orientación de las órbitas de los electrones compartidos. Las moléculas formadas por estos átomos tienen una estructura tridimensional concreta definida por los ángulos y la longitud de los enlaces para cada unión covalente. En la mayoría de los enlaces covalentes se comparten dos electrones, cada uno de los cuales perteneciente a los átomos que participan en el enlace. Se denominan enlaces sencillos. Así, por ejemplo, en la molécula de agua formada por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno, dos de los electrones del nivel energético externo del átomo de oxígeno forman enlaces covalentes simples con dos átomos de hidrógeno diferentes.

Otros enlaces covalentes implican compartir más de un par de electrones, son los denominados enlaces dobles. El átomo de carbono puede participar en dos enlaces covalentes dobles para formar, por ejemplo, dióxido de carbono o unirse de esta manera a otras moléculas de carbono. Mientras que los enlaces sencillos permiten la rotación de los átomos entre sí alrededor del eje del enlace, los enlaces dobles impiden esta rotación produciendo un ordenamiento más rígido y menos flexible de los átomos que va a determinar la forma tridimensional y las propiedades de muchas de las moléculas.


Cuando los átomos unidos por enlaces covalentes pertenecen a diferentes elementos, normalmente los núcleos atraen a los electrones compartidos con diferente fuerza, de tal manera que los electrones “dedican” más tiempo al átomo que ejerce mayor atracción y por este motivo este átomo tiene una carga
ligeramente negativa, siendo ligeramente positiva en el otro átomo, debido a que la carga positiva del núcleo no queda del todo neutralizada. Así, los átomos de oxígeno atraen los electrones relativamente fuerte, mientras que los átomos de hidrógeno los atraen muy débilmente. Estos enlaces se denominan
enlaces covalentes polares y aquellas moléculas en las que la distribución de cargas se contrarresta, se consideran moléculas apolares, mientras que son polares aquellas que tienen una zona cargada positivamente y otra cargada negativamente. Los enlaces covalentes polares son importantes en Biología en cuanto que implican que las moléculas interaccionan en función de sus fuerzas eléctricas. Muchas de las características del agua esenciales para la vida se deben a su naturaleza polar.

LAS MOLÉCULAS DE LOS SERES VIVOS

Los átomos de los distintos elementos químicos que componen los seres vivos se combinan entre sí para formar moléculas de diferente grado de complejidad, algunas de las cuales se encuentran exclusivamente en los seres vivos. Las moléculas que componen la materia viva se pueden clasificar en moléculas inorgánicas y moléculas orgánicas.

Las moléculas inorgánicas, además de encontrarse en la materia viva, se hallan en la materia inerte y éstas son: el agua, las sales minerales y los gases. El agua es la molécula más abundante de los seres vivos, constituyendo aproximadamente el 70% de su peso. El agua se encuentra en todas las partes de la
célula y es el medio en el que tienen lugar la mayoría de las reacciones intracelulares. Además del agua, otras moléculas inorgánicas, como, por ejemplo, el dióxido de carbono o el óxido nítrico, son esenciales para la vida.

Las moléculas que caracterizan a los seres vivos son las moléculas orgánicas. Estas moléculas se organizan alrededor del carbono, elemento que destaca entre todos los demás elementos de la tierra por su capacidad de formar grandes moléculas. Debido a su reducido tamaño y a los cuatro electrones de la capa externa puede formar enlaces con átomos de hidrógeno, oxígeno y nitrógeno y, lo que es más importante, puede formar enlaces simples hasta con otros cuatros átomos de carbono, o compartir pares de electrones dando lugar a enlaces carbono-carbono dobles e incluso puede llegar a formar enlaces triples. Los átomos de carbono unidos covalentemente pueden formar cadenas y anillos a los que se unen otros grupos de átomos que confieren propiedades químicas específicas a estas moléculas y dan lugar a una gran variedad de estructuras tridimensionales. Dejando aparte el agua, la mayoría de las moléculas de los seres vivos (biomoléculas) son compuestos orgánicos. Su número y variedad son casi ilimitados, y de sus combinaciones y reacciones va a depender el mantenimiento de la vida.

Las moléculas orgánicas más pequeñas son compuestos de hasta unos 30 átomos de carbono y entre éstas se encuentran los azúcares simples, los ácidos grasos, los aminoácidos y los nucleótidos. Algunas de estas moléculas pueden ser transformadas o descompuestas en moléculas más pequeñas, pero la mayoría de ellas son monómeros (una parte) que forman polímeros (poli = muchas, meros = parte) denominados macromoléculas.

Las moléculas orgánicas pequeñas se encuentran en la célula en mucha menor proporción que las macromoléculas orgánicas. Estas macromoléculas que constituye los seres vivos no sólo deben ser consideradas como un simple aumento de tamaño respecto a las pequeñas moléculas. Las macromoléculas biológicas están compuestas por multitud de átomos que forman disposiciones espaciales definidas y que contienen una información muy precisa. Su estructura determinada a lo largo de la evolución porta mensajes que pueden ser “interpretados” por otras moléculas con las que interaccionan para desarrollar las funciones concretas para la vida de la célula. Entre los principales tipos de moléculas orgánicas presentes en grandes cantidades en los seres vivos están los glúcidos (compuestos de azúcares), los lípidos (que contienen ácidos grasos), las proteínas (formadas por aminoácidos) y los ácidos nucleicos (compuestos por nucleótidos). Todas estas macromoléculas contienen carbono, hidrógeno y oxígeno.

A continuación vamos a describir algunas de las moléculas de las que hemos hablado en este apartado. Empezaremos con el agua, que es, con diferencia, la molécula más abundante de cualquier organismo vivo, para continuar después con el estudio de las macromoléculas orgánicas.

Agua

La evolución de la vida sobre la tierra fue determinada esencialmente por las propiedades del agua, sin la cual seguramente la vida no se hubiera desarrollado.

El agua está formada por dos átomos de hidrógeno que se unen covalentemente a un átomo de oxígeno (H2O). La molécula de agua es una molécula polar debido a que el hidrógeno y el oxígeno comparten los electrones de forma desigual. El núcleo de oxígeno atrae con gran fuerza los electrones correspondientes a los átomos de hidrógeno, de tal manera que se produce una distribución desigual de electrones en la molécula de agua, con un predominio de cargas positivas en los átomos de hidrógeno y de carga negativa en el de oxígeno.

Cuando la región con carga positiva de una molécula de agua (la de los átomos de hidrógeno) se aproxima a la región con carga negativa de otra molécula de agua (la del átomo de oxígeno), la atracción electrostática que se produce entre ellas da lugar a un enlace débil conocido como puente o enlace de hidrógeno. Mediante estos puentes de hidrógeno las moléculas de agua se unen entre sí. En estado líquido las moléculas de agua están en movimiento continuo por lo que los enlaces de hidrógeno se están constantemente rompiendo y formando de nuevo. En el hielo cada molécula de agua se sitúa fija en el espacio y forma un máximo de cuatro puentes de hidrógeno con otras cuatro moléculas de agua creando una red cristalina regular. Esta red de hielo ocupa más espacio que el mismo número de moléculas de H2O en el agua líquida, su densidad es menor y por esto el hielo flota sobre el agua líquida.

Esta unión que se produce entre las moléculas de agua se denomina cohesión y va a ser la responsable de las propiedades que caracterizan al agua (tensión superficial, capilaridad, evaporación y congelación). Los puentes de hidrógeno no son exclusivos de las moléculas de agua.
Todas aquellas moléculas que son polares pueden formar puentes de hidrógeno con el agua y disolverse rápidamente en ella. Esto es debido a que tienen regiones de carga positiva y negativa que penetran en las soluciones acuosas y atraen las moléculas de agua igual que éstas se atraen entre sí. A estas moléculas se les denomina hidrofílicas (del griego, “amantes del agua”). Las moléculas hidrofóbicas, por el contrario, que carecen de regiones polares, no se disuelven en agua y tienden a cohesionarse formando, por ejemplo, las gotas de aceite que flotan sobre el agua.

En la Figura 2.12 se puede observar cómo el agua disuelve una molécula inorgánica, la sal común. La red cristalina de la sal se va destruyendo a medida que las moléculas de agua se agrupan alrededor de los iones Cly Na+. Al hidratar los iones que componen la sal, las cargas iónicas son parcialmente neutralizadas, debilitándose la atracción electrostática necesaria para formar la red que constituye la sal común.

La polaridad de la molécula de agua, responsable tanto de la adhesión a otras moléculas polares como de la exclusión de las moléculas no polares, va a tener un papel esencial en cómo se estructuran muchas de las biomoléculas para ejercer su función. Por otro lado, además de ser el disolvente en el que transcurren las reacciones metabólicas, el agua va a participar directamente en muchas reacciones, como las reacciones de hidrólisis y condensación.

Glúcidos

Los glúcidos están formados a partir de pequeñas moléculas llamadas azúcares de las que los seres vivos obtienen energía. Los azúcares son compuestos orgánicos constituidos fundamentalmente por la combinación de tres elementos: carbono, oxígeno e hidrógeno, en unas proporciones determinadas, de forma que casi todos presentan la fórmula genérica (CH2O)n, donde n es normalmente 3, 4, 5, 6 o 7. La glucosa, por ejemplo, tiene la fórmula C6H12O6. Como puede observarse en la fórmula, el hidrógeno y el oxígeno se encuentran en las mismas proporciones que en las moléculas de agua y, por tanto, estos compuestos están formados por una combinación, en idénticas proporciones de moléculas de agua y átomos de carbono. Esta es la razón por la que en muchas ocasiones a los glúcidos se les denomina hidratos de carbono o carbohidratos.

Aunque los glúcidos son muy homogéneos en su fórmula química, no lo son en cuanto a su tamaño, clasificándose en función del número de unidades que contienen. Los monosacáridos (un azúcar) son los glúcidos más sencillos, formados por una sola molécula. Los disacáridos, como su denominación indica, están formados por dos azúcares. Los polisacáridos son polímeros que pueden contener hasta miles de moléculas de monosacárido.

La manera en que los azúcares se unen unos con otros ilustra un tipo de enlace que se da en la formación de muchos polímeros orgánicos a partir de sus subunidades. Esta unión se forma entre el grupo OH de un azúcar y el grupo OH de otro azúcar, se llama síntesis de condensación y en ella se elimina una molécula de agua. Las uniones creadas por estas reacciones de condensación pueden romperse mediante el proceso inverso, denominado hidrólisis, en el que se requiere la adición de una molécula de agua.

Los monosacáridos son las moléculas más sencillas que tienen las características y propiedades de los glúcidos. Entre éstos se encuentran la fructosa y la galactosa. También se incluye en este grupo una familia de azúcares de 5 átomos de carbono o pentosas (su fórmula general es C5H10O5) entre los que está la ribosa y la desoxirribosa, azúcares que forman parte de la estructura de los ácidos nucleicos. Pero el monosacárido más importante, tanto cuantitativa como funcionalmente es la glucosa. Ésta se puede encontrar libre o unida a otros monosacáridos para formar glúcidos más complejos o también se puede unir a otros compuestos como los lípidos o las proteínas formando glucolípidos y glucoproteínas.

La glucosa es el glúcido principal del metabolismo de los organismos al ser la principal fuente de energía para las células. Es la molécula que las plantas sintetizan en la fotosíntesis, proceso complejo en el que las células utilizan la energía de la luz solar para romper y reestructurar los enlaces covalentes del dióxido de carbono y el agua, y de esta manera producir azúcar y oxígeno. En otra serie de reacciones (glucolisis y respiración celular), la ruptura de la molécula de glucosa en moléculas más pequeñas va a proporcionar la energía necesaria para todas las células vivas.


Los disacáridos son los glúcidos formados por la unión de dos monosacáridos mediante condensación. La sacarosa, el disacárido más conocido, está compuesta por los monosacáridos glucosa y fructosa, y es el azúcar común de mesa obtenida de la caña de azúcar o la remolacha. La maltosa (glucosa+glucosa) es un disacárido que no se encuentra libre en la naturaleza, sino que surge de la hidrólisis del almidón, el cual constituye la forma de reserva de azúcar más importante en las plantas. También pertenece a este grupo la lactosa (galactosa+glucosa) que es el glúcido que se encuentra en la leche de todos los mamíferos. Los polisacáridos son polímeros formados por la unión de muchos monosacáridos y son los glúcidos más abundantes en la naturaleza. Van a desempeñar funciones básicas en las células al ser la reserva energética y actuar como elementos estructurales.

El glucógeno es el principal polisacárido de reserva de los animales formado por unidades de glucosa. El número de moléculas que componen el polímero es muy variable como se pone de manifiesto en el diferente tamaño de los gránulos que se localizan en el citoplasma de las células. El glucógeno se acumula fundamentalmente en el hígado (representa el 10% de su peso) y en menor proporción en el músculo esquelético (1-2%), aunque la mayor cantidad total de glucógeno se encuentra en los músculos al representar un volumen mayor que el del hígado. Su existencia es fundamental para el organismo ya que de esta forma es posible almacenar la glucosa como sustancia de reserva. Cuando el nivel de glucosa en la sangre, que es aproximadamente 1g/l, disminuye al ser requerida por las células del organismo, el glucógeno se hidroliza convirtiéndose en glucosa que pasa rápidamente a la sangre para cubrir las necesidades energéticas de las células.

El almidón es el principal polisacárido de reserva que se sintetiza y almacena en los vegetales y está formado por largas cadenas de glucosa unidas de una forma diferente que como lo hacen para formar glucógeno. Su importancia para nuestro organismo está en que, al constituir los alimentos de origen vegetal una parte importante de nuestra dieta, el almidón representa más de la mitad de los glúcidos que ingerimos, por lo que gran parte de la glucosa de nuestro organismo proviene, en última instancia, de la degradación del almidón.

Entre los polisacáridos que desempeñan un papel estructural se encuentra la celulosa. Al igual que el glucógeno y el almidón, es un polímero formado por varios miles de moléculas de glucosa, pero presenta con respecto a ellos una diferencia fundamental: los enlaces que unen las moléculas de glucosa son distintos por lo que sus cadenas son absolutamente lineales, sin ramificaciones, y en lugar de formar gránulos como el glucógeno o el almidón, las moléculas de celulosa forman haces largos y rígidos. Debido a esta característica, la celulosa es el componente principal de las paredes celulares de los vegetales, especialmente de los tejidos fibrosos y leñosos de las plantas.

La glucosa que compone la celulosa no es útil como fuente de energía para el organismo humano debido a que nuestro sistema digestivo no cuenta con las enzimas necesarias para romper el tipo de enlace que une las moléculas de glucosa en la celulosa, sin embargo resulta muy útil en el proceso digestivo como facilitadora del paso de los alimentos a través del intestino. Los rumiantes son los únicos vertebrados que pueden emplear la celulosa como alimento gracias a la existencia en su tubo digestivo de microorganismos que la degradan.

Lípidos

Bajo la denominación de lípidos se engloban una serie de sustancias que poseen estructuras muy diversas. En su composición siempre se encuentra carbono e hidrógeno y, en menor proporción, oxígeno. Algunos de ellos también tienen fósforo, azufre y nitrógeno. La característica común de todas las sustancias lipídicas es la naturaleza hidrofóbica de sus moléculas, lo que implica que son insolubles en agua; sin embargo, son solubles en disolventes apolares como éter, benceno, cloroformo, etc.

Los lípidos son moléculas que se utilizan como fuente de energía. Nuestro organismo tiene una capacidad limitada para almacenar glúcidos, por lo que los azúcares que ingerimos y exceden la posibilidad de transformación en glucógeno son convertidos en lípidos. Por este motivo, los glúcidos son la principal fuente de energía inmediata del organismo, mientras que los lípidos actúan como energía de reserva. Además de la función de reserva energética, los lípidos cumplen una función estructural, siendo los principales componentes de las membranas celulares. Como más adelante veremos, la peculiar estructura de las moléculas de algunos lípidos hace que cuando se encuentran en presencia de agua adopten configuraciones especiales que son la base de las membranas celulares.

Las moléculas básicas que presentan las características de los lípidos son los ácidos grasos. Se puede decir que son los monómeros de los lípidos, pero en este caso con más prudencia que cuando hemos hecho esta afirmación en relación con los monosacáridos respecto a los glúcidos, ya que hay algunos lípidos que no presentan ácidos grasos en sus moléculas, como es el caso de los esteroides.

En la molécula de un ácido graso se distinguen dos regiones. Una es una larga cadena hidrocarbonada (hidrógeno y carbono) que es hidrofóbica y químicamente poco reactiva. La otra es un grupo carboxilo (COOH), extremadamente hidrofílico y químicamente reactivo. Casi todas las moléculas de ácidos grasos están unidos covalentemente a otras moléculas a través de su grupo carboxilo. Los diferentes ácidos grasos que se encuentran en las células se diferencian únicamente en la longitud de las cadenas hidrocarbonadas y en el número y posición de los dobles enlaces entre sus carbonos. Aquellos que tienen uno o más dobles enlaces se dice que son ácidos grasos insaturados. Estos dobles enlaces son rígidos y dan lugar a una alteración en la estructura de la cadena, ya que provocan dobleces que tienden a separar las moléculas produciendo líquidos a temperatura ambiente como es el caso, por ejemplo, del aceite de oliva. Cuando los enlaces entre los átomos de carbono son sencillos, se forma una molécula de ácido graso saturado. Las cadenas rectas de los ácidos grasos saturados permiten el empaquetamiento de las moléculas juntas, dando lugar a sustancias sólidas como la manteca.

Los ácidos grasos se almacenan en el citoplasma de muchas células para reserva energética, formando moléculas más complejas conocidas como glicéridos o vulgarmente como grasas. Los más abundantes son los triacilglicéridos o triglicéridos que consisten en tres moléculas de ácidos grasos unidas a una molécula de glicerina.

Existen diferentes clases de triglicéridos en función de los tipos de ácidos grasos que contienen. Las grasas de los alimentos de procedencia animal como la carne y la mantequilla, suelen contener una gran proporción de ácidos grasos saturados y, por tanto, son sólidas a temperatura ambiente. Las grasas de origen vegetal que se encuentran en semillas y frutos tienen una gran proporción de ácidos grasos insaturados y su presencia en la dieta humana es imprescindible ya que muchos de esos ácidos grasos
insaturados no pueden ser sintetizados por el hombre. Cuando se requiere energía, se liberan las cadenas de ácidos grasos de los triacilglicéridos y se rompen en unidades de dos carbonos idénticas a las que se producen por escisión de la glucosa, entrando en las mismas vías metabólicas para producir energía. Como ya hemos comentado previamente, los lípidos desempeñan una función estructural esencial al ser las moléculas que constituyen las membranas que envuelven las células y los orgánulos que éstas contienen. Las membranas están formadas principalmente por fosfolípidos, moléculas que, como los triglicéridos, están constituidas de ácidos grasos y de glicerina, pero en este caso la molécula de glicerina se une a dos cadenas de ácidos grasos y no a tres como en los triglicéridos. El tercer carbono de la glicerina está unido a otro grupo fosfato hidrofílico, el cual, a su vez, está normalmente enlazado a otro grupo polar. Cada molécula de fosfolípido tiene, por tanto, una cola hidrofóbica compuesta por las dos cadenas de ácidos grasos y una cabeza hidrofílica donde se localiza el fosfato.

Cuando las moléculas de fosfolípidos se encuentran rodeadas de agua, las colas hidrofóbicas se agrupan para excluir el agua formando bien micelas, que son conjuntos de moléculas en los que los grupos hidrofóbicos están escondidos del agua mientras que los grupos polares ocupan la superficie externa, bien una doble capa con las cabezas hidrofílicas de cada fosfolípido orientadas hacia el agua (Fig. 2.20B). Esta bicapa lipídica es la base estructural de todas las membranas celulares. Además de los fosfolípidos, los glucolípidos son también importantes componentes de las membranas celulares. En éstos, el tercer carbono de la molécula de glicerina está ocupado por un glúcido que, como el grupo fosfato de los fosfolípidos, es polar y, en contacto con el agua, constituye la cabeza hidrofílica del glucolípido.

Existen otros muchos tipos de lípidos, mucho menos abundantes en las células que los que hemos explicado, pero con importantes funciones. Entre éstos se encuentra un grupo de sustancias denominadas esteroides, que, aunque no se asemejan a los lípidos a nivel estructural, también son insolubles en agua. Este grupo de moléculas incluye el colesterol, sustancia muy abundante en la membrana de las células y también en el plasma de la sangre. Se sintetiza en el hígado a partir de ácidos grasos saturados y también se obtiene a través de la dieta. Muchas de nuestras hormonas (p.ej., cortisol, estrógenos, testosterona) son esteroides y derivan del colesterol.

Proteínas

Las proteínas constituyen, dejando aparte el agua, el componente principal de las células de nuestro organismo y son quizá las más versátiles de las biomoléculas. Como en los próximos capítulos se irá viendo, prácticamente todas las funciones de los seres vivos van a depender de las proteínas. Entre ellas algunas tienen propiedades catalíticas, como las enzimas o biocatalizadores, otras son elementos estructurales, y algunas de ellas transportan señales o sustancias específicas hacia o desde el interior de las células.

Desde el punto de vista estructural, todas las proteínas siguen siempre el mismo patrón: son grandes polímeros compuestos por la unión en una secuencia lineal de otras moléculas llamadas aminoácidos. Los aminoácidos son un tipo de moléculas con unas propiedades muy definidas. Todos ellos tienen un grupo carboxilo (COOH) y un grupo amino (NH2) unidos a un único átomo de carbono. La peculiaridad de cada aminoácido viene determinada por la cadena lateral unida al átomo de carbono, que tiene una estructura diferente en cada uno de los 20 aminoácidos distintos que existen y que se suele denominar de una forma general como grupo R (radical). Este grupo determina las propiedades químicas y biológicas de cada aminoácido. Según su naturaleza encontramos aminoácidos apolares, polares no cargados y cargados positiva o negativamente.

Para construir las proteínas, los aminoácidos se unen mediante un enlace formado por síntesis de condensación en donde el grupo amino de un aminoácido se une al grupo carboxilo del aminoácido adyacente y se libera una molécula de agua. Esta unión entre los dos aminoácidos adyacentes de una proteína se llama enlace peptídico y la cadena de aminoácidos que de esta manera se forma se denomina polipéptido. Por tanto, cualquier polipéptido, con independencia de los aminoácidos que lo constituyen, tiene en un extremo un grupo amino y en el otro un grupo carboxilo.

Como acabamos de señalar, existen veinte tipos diferentes de aminoácidos con los que se van a construir los cientos de miles de proteínas diferentes que existen en los seres vivos. Son estos mismos 20 aminoácidos los que van a construir tanto las proteínas que existen en las bacterias como las que se encuentran en nuestro organismo. Cómo se seleccionó este pequeño grupo de aminoácidos es uno de los misterios que existe sobre la evolución de la vida, ya que no se encuentran razones químicas concluyentes que justifiquen esta
selección.


Las moléculas de proteína son normalmente grandes y contienen varios centenares de aminoácidos. Las combinaciones que se pueden establecer entre los aminoácidos es tan variada que el número de proteínas posibles puede ser infinito, tan elevado como el número de frases que se pueden construir con las 28 letras de nuestro alfabeto. Los muchos miles de proteínas diferentes que se conocen tienen cada una su particular secuencia de aminoácidos. La secuencia de aminoácidos va a determinar la forma de una proteína. Muchos de los enlaces que se forman en la cadena de aminoácidos permiten que los átomos que ellos unen puedan girar libremente lo que hace posible que el esqueleto del polipéptido pueda en principio doblarse en una enorme variedad de formas. Sin embargo, en condiciones normales, la mayoría de las cadenas polipeptídicas se pliegan adoptando una sola conformación particular. Esta conformación se mantiene mediante enlaces no covalentes débiles. Entre los enlaces débiles que se forman están puentes de hidrógeno y enlaces iónicos. Los puentes de hidrógeno desempeñan un papel fundamental para mantener unidas diferentes regiones de la cadena polipeptídica de una proteína plegada y, por tanto, para que se establezca su estructura tridimensional característica.


Uno de los factores más importantes que va a condicionar el plegamiento de una proteína es la distribución de cadenas laterales polares y no polares. Las cadenas laterales de los aminoácidos polares tienden a situarse en el exterior de la proteína donde pueden interaccionar con el entorno acuoso y con otras moléculas polares. Por el contrario, las cadenas laterales de los aminoácidos no polares tienden a agruparse en el interior de la molécula lo que les permite evitar el contacto con el agua. El resultado final de estos plegamientos producidos por las interacciones entre los aminoácidos de una proteína es que éstas adoptan unas conformaciones muy definidas y que su superficie tenga unas características químicas que hacen a cada proteína única para interaccionar con otras moléculas y desarrollar sus funciones.

Cuando se describe la estructura de una proteína resulta muy útil distinguir diferentes niveles de organización. La secuencia de aminoácidos constituye la estructura primaria de la proteína. Cada proteína tiene su particular estructura primaria y de ésta van a depender las características estructurales y funcionales de la molécula. Pero, para conocer determinadas propiedades biológicas de una proteína es necesario tener presente, además, su conformación espacial. Las interacciones que establecen los enlaces de hidrógeno entre fragmentos próximos de la cadena polipeptídica hace, como acabamos de explicar, que ésta se repliegue dando lugar a lo que se conoce como estructura secundaria. Entre los tipos más comunes de ordenación secundaria está la estructura denominada hélice α en la que el esqueleto polipeptídico se enrolla alrededor de un cilindro imaginario del que sobresalen los grupos R, manteniéndose esta forma helicoidal por los puentes de hidrógeno que forman los grupos C=O con el grupo H-N del tercer o cuarto aminoácido consecutivo. Cada vuelta sucesiva de la hélice α se mantiene unida a las vueltas adyacentes por varios enlaces de hidrógeno que sumados proporcionan a la estructura una estabilidad considerable. No obstante, las proteínas de este tipo son elásticas debido a que los puentes de hidrógeno pueden romperse y volver a formarse.

Otro tipo de estructura, denominada conformación β, se produce cuando cadenas polipeptídicas situadas en paralelo establecen enlaces de hidrógeno. En esta conformación que es muy común en las proteínas, el esqueleto de la cadena polipeptídica se encuentra extendido en zig-zag. Los grupos R de los aminoácidos adyacentes sobresalen de la estructura en zigzag en direcciones opuestas dando lugar a la alternancia que puede observarse en una vista lateral. A este tipo de estructura también se le denomina lámina plegada.

Las proteínas pueden ser clasificadas en dos grupos principales: proteínas fibrosas y proteínas globulares. En las proteínas fibrosas, que suelen estar formadas por un único tipo de estructura secundaria, las cadenas polipeptídicas se ordenan formando largos filamentos. Tienen importantes funciones estructurales en la anatomía de los vertebrados, proporcionándoles soporte, forma y protección frente al exterior. Entre ellas se encuentra la queratina, una proteína fibrosa que es el componente principal de uñas, escamas y plumas. Por su estructura simple y repetitiva, las proteínas fibrosas han tenido un papel esencial para obtener los conocimientos que actualmente se tienen sobre la estructura de las proteínas.

Las proteínas globulares son más complejas estructuralmente ya que a menudo contienen varios tipos de estructura secundaria en la misma cadena polipeptídica. En ellas, la estructura secundaria se repliega sobre sí misma dando lugar a una complicada estructura terciaria. La estructura terciaria hace referencia a la disposición tridimensional de todos los átomos de una proteína y es resultado de la interacción que se establecen entre los grupos R de los diferentes aminoácidos de la cadena polipeptídica. En este caso, además de enlaces débiles, también se pueden formar enlaces covalentes como, por ejemplo, el enlace disulfuro que se establece entre los dos grupos SH de dos cisteínas cercanas de una cadena polipeptídica plegada. Las proteínas globulares son muy diversas y abundantes en los organismos vivos. Se incluyen en este grupo la mayor parte de las enzimas, algunas hormonas, los anticuerpos y los receptores de superficie de la membrana celular que van a interactuar con numerosas moléculas.

Las proteínas formadas por más de una cadena polipeptídica tienen un nivel adicional de estructura: la estructura cuaternaria. Estas proteínas están compuestas por dos o más cadenas polipeptídicas separadas, con su correspondiente estructura terciaria, que pueden ser idénticas o diferentes. Las interacciones entre estas subunidades se encuentran estabilizadas y dirigidas por las mismas fuerzas que mantienen la estructura terciaria. Uno de los ejemplos mejor conocidos de proteína compuesta por varias unidades es la hemoglobina, una proteína que es elaborada y transportada por los glóbulos rojos de la sangre y cuyas moléculas tienen la capacidad de formar enlaces débiles con el oxígeno que es recogido en los pulmones y conducido a cualquier tejido del cuerpo donde se libera.

La molécula de hemoglobina es aproximadamente esférica y está formada por cuatro cadenas polipeptídicas (dos cadenas α y dos cadenas β) que tienen una disposición aproximadamente tetraédrica. Cada una de las cadenas contiene aproximadamente 150 aminoácidos y se encuentra unida a un grupo no proteíco, grupo hemo, en el que se encuentran átomos de hierro que desempeñan un papel fundamental en la unión del oxígeno. Las variaciones naturales que se producen en la secuencia de aminoácidos de la hemoglobina aporta datos útiles sobre la relación entre estructura y función en las proteínas. Las más de 300 variantes genéticas de hemoglobina que se conocen en la población humana no suelen provocar alteraciones funcionales importantes, con excepción de un caso. Concretamente, la sustitución de un aminoácido, valina por ácido glutámico, en la posición 6 de la cadena β es la causa de la enfermedad conocida como anemia falciforme. Este pequeño cambio en la estructura de la hemoglobina va a alterar su conformación y, como consecuencia, su capacidad de unirse al oxígeno y, por tanto, de realizar su importante función. Los glóbulos rojos que contienen esta hemoglobina alterada se deforman adoptando una forma alargada. Este ejemplo pretende ilustrar cómo la sustitución de dos aminoácidos entre 600 produce una alteración de la estructura primaria que va a condicionar las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria de una proteína y, en consecuencia, la función que desempeña.

Enzimas

Las enzimas constituyen el grupo de proteínas más variadas y especializadas. Su papel es fundamental debido a que todas las reacciones químicas que tienen lugar en las células están mediadas por enzimas. Actúan de modo organizado en los cientos de reacciones que de una forma consecutiva se producen en las rutas metabólicas mediante las que se degradan los nutrientes, se transforma la energía y se fabrican las macromoléculas biológicas desde precursores más simples.

La mayoría de las reacciones químicas en las que una sustancia se transforma en otra, requieren energía para que se produzcan. Esta energía, denominada energía de activación, es necesaria tanto para vencer las fuerzas de los electrones que envuelven las distintas moléculas, como para romper los enlaces químicos que existen y poder formar otros nuevos. La energía de activación puede proporcionarse de diferentes maneras. Una de ellas es, por ejemplo, mediante el calor que administramos a una disolución en un experimento de laboratorio, pero esto supone una situación tan extrema que no puede darse dentro de los sistemas vivientes. Las enzimas consiguen que disminuya la cantidad de energía de activación necesaria para que las reacciones tengan lugar dentro de la célula. Las moléculas que tiene este efecto se denominan catalizadores y, por tanto, las enzimas van a ser los principales biocatalizadores. La mayoría de las reacciones químicas necesarias para funciones tan esenciales como digerir los alimentos, enviar señales nerviosas o contraer un músculo para producir movimiento no se dan a una velocidad adecuada sin la mediación de las enzimas.

Cuando interviene una enzima, ésta proporciona un ambiente dentro del cual una reacción determinada es energéticamente más favorable al disminuir la energía de activación necesaria. La enzima se combina con la molécula sobre la que actúa, denominada sustrato. Las enzimas son generalmente moléculas grandes formadas por un elevado número de aminoácidos y con una estructura compleja. Por el contrario, la sustancia sobre la que actúa, el sustrato, suele ser una molécula pequeña. La unión temporal que se produce entre la enzima y el sustrato debilita los enlaces químicos existentes en éste y, en consecuencia, facilita el que se produzcan otros nuevos. La estructura tridimensional de las enzimas les permite llevar a cabo su función. Las enzimas son moléculas muy complejas, compuestas normalmente de varias cadenas polipeptídicas que se hallan plegadas. Entre estos pliegues se sitúa el sustrato para producir la reacción catalizada. La parte de la molécula enzimática donde se une el sustrato se denomina centro activo. El sustrato encaja dentro del centro activo, el cual tiene una forma que sólo permite la unión de un sustrato determinado y es causa de una importante propiedad de las enzimas, su especificidad: cada enzima actúa sobre un sustrato específico. El complejo enzima-sustrato es de importancia central en la acción de las enzimas y a esta manera de encajar una enzima con su sustrato se le ha llamado modelo de la llave y la cerradura, ya que éste es un buen símil para entender la complementariedad de formas entre una enzima y su sustrato. Cuando el sustrato está en posición correcta en el centro activo de la enzima, tiene lugar la reacción que cataliza la enzima. Después los productos de la reacción y la enzima se separan, quedando ésta lista para repetir el proceso ya que las enzimas intervienen en las reacciones sin ser modificadas en ellas, por lo que quedan intactas para ser utilizadas de nuevo. Las enzimas trabajan a velocidades elevadísimas. Algunas pueden catalizar hasta un millón de reacciones por minuto.

Como acabamos de comentar, es precisamente la conformación espacial, su estructura tridimensional, la responsable de que una enzima sea específica para un sustrato. Sólo unos pocos aminoácidos de la enzima constituyen el centro activo, y no suelen estar consecutivos, aunque sí próximos debido a que la estructura terciaria los ha acercado. En algunas enzimas con estructura cuaternaria, incluso pueden pertenecer a diferentes cadenas polipeptídicas. Algunas enzimas requieren la presencia de otras sustancias químicas para poder funcionar. Este componente químico adicional se denomina cofactor. Pueden actuar como cofactores iones inorgánicos tales como hierro (Fe2+), magnesio (Mg2+) y zinc (Zn2+) o moléculas orgánicas y, en este caso, se denominan coenzimas. Las coenzimas actúan como transportadores transitorios de grupos funcionales. Muchas de las sustancias que conocemos con el nombre de vitaminas son precursoras de coenzimas, y, por tanto, el requerimiento de minerales y vitaminas en una dieta equilibrada responde en gran medida a que son necesarios como cofactores enzimáticos.

Nucleótidos y Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos son grandes moléculas formadas por nucleótidos. Los nucleótidos realizan funciones esenciales en el metabolismo celular, y los polímeros de los nucleótidos, los ácidos nucleicos, desarrollan una misión tan fundamental para el mantenimiento de la vida como es asegurar la transmisión de la información genética de unas células a otras y conseguir que esta transmisión se exprese. La estructura de cada una de las proteínas es producto de la información codificada en la secuencia de nucleótidos de los ácidos nucleicos
de la célula. Los nucleótidos son las unidades que componen los ácidos nucleicos, equivalentes a los monosacaridos en los polisacáridos o los aminoácidos en las proteínas, pero a su vez el nucleótido es una molécula compleja formada por la unión de moléculas distintas: una base nitrogenada, un azúcar y uno o varios grupos fosfato.

Los distintos nucleótidos difieren entre sí en el tipo de azúcar y en las bases nitrogenadas que presentan. El azúcar es una pentosa (cinco átomos de carbono) que puede ser de dos tipos: ribosa, o bien desoxirribosa, de igual estructura química que la ribosa pero con un oxígeno menos. Las bases nitrogenadas que se presentan en los nucleótidos son moléculas compuestas por carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, que adoptan la estructura de anillo. A estos anillos que contienen átomos de nitrógeno se les denomina bases por su capacidad de captar iones de hidrógeno (H+, protones). Hay dos tipos de bases nitrogenadas en función del número de anillos que presentan sus moléculas. Las bases púricas están formadas por un anillo doble y a este grupo pertenecen la adenina (A) y la guanina (G). Las bases pirimidínicas presentan un
sólo anillo en sus moléculas y son la citosina (C), la timina (T) y el uracilo (U).

El grupo fosfato que se une al azúcar puede ser un monofosfato, un difosfato o un trifosfato. Cada nucleótido toma el nombre de la base que contiene.

Los nucleótidos pueden actuar como transportadores de energía química y entre ellos destaca el principal portador de energía en todos los procesos biológicos, el adenosín trifosfato o ATP. Los tres grupos fosfato que contiene son fáciles de romper por hidrólisis. En presencia de agua, un grupo fosfato del ATP se separa, obteniéndose como producto de la reacción ADP (adenosín difosfato), un grupo fosfato libre y energía. Esta energía que se libera es la utilizada en muchas de las reacciones químicas que se producen en las células. El ADP se transforma de nuevo en ATP cuando metabolizamos la glucosa. Los nucleótidos tienen otras muchas funciones. Así, por ejemplo, el AMP cíclico, un derivado del nucleótido de adenina, se utiliza como molécula de señalización dentro de las células, y en próximos temas veremos el papel esencial que desempeña para que tanto algunos neurotransmisores como algunas hormonas ejerzan su función.

Como ya hemos adelantado al empezar este apartado, la importancia especial de los nucleótidos estriba en que constituyen los elementos que componen los ácidos nucleicos, moléculas que almacenan la información biológica.

Los ácidos nucleicos son largos polímeros en los que los nucleótidos están unidos covalentemente por el enlace fosfodiéster formado entre el grupo fosfato unido al carbono 5´ del azúcar de un nucleótido y el grupo hidroxilo unido al carbono 3´ del azúcar del siguiente nucleótido. Éste es un nuevo ejemplo de polímero formado mediante reacción de condensación. Por la forma en que se establece la unión entre los nucleótidos, los esqueletos de los ácidos nucleicos consisten en unidades alternas de grupos fosfatos y pentosas, mientras que las bases son grupos laterales unidos al esqueleto a intervalos regulares.


Existen dos tipos principales de ácidos nucleicos: el ácido ribonucleico o ARN, y el ácido desoxirribonucleico o ADN. Estos dos ácidos nucleicos se diferencian en algunos aspectos. Mientras que la subunidad glucídica del ARN es la ribosa, del ADN es la desoxirribosa. El ARN está formado por los nucleótidos A, U, G y C, y el ADN por A, T, G, C. El ARN consta de una única cadena de nucleótidos, como la que aparece en el esquema de la Figura 2.37, sin embargo, la estructura del ADN consiste en un par de cadenas de nucleótidos unidas por enlaces que se establecen entre las bases (apareamiento de bases), y es precisamente en la forma en que se ordenan las bases como queda representada la información genética.

REFERENCIAS

0 0 vota
Valoración
Subscribe
Notify of
guest
0 Comentarios
Inline Feedbacks
View all comments
0
Deja tu comentario y recibe un regalox
()
x