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BASE QUÍMICA DE LA VIDA.... UNA BREVE INTRODUCCIÓN...
Hasta
que en 1828 Wöhler sintetizó la urea a partir de compuestos inorgánicos
no se tuvo la prueba de que los compuestos que forman los seres vivos
se pueden sintetizar a partir de sustancias inertes. Antiguamente se
creía que la materia viva estaba compuesta por sustancias distintas a
las de la materia inerte, y que unas sustancias no se podían transformar
en las otras (quizá debido a que la materia viva necesitaba el soplo o
espíritu divino para su existencia).
Desde
el punto de vista del científico físico, las células pueden
considerarse como unos conjuntos complejos de moléculas orgánicas que se
autoorganizan y autoreplican, siendo capaces de intercambiar materia y
energía con su entorno, gracias a unas reacciones orgánicas consecutivas
catalizadas enzimáticamente, y que funcionan a base de una máxima
economía de procesos y materiales. Hoy en día se han identificado muchos
de los componentes moleculares de las células: se conoce cómo las
células obtienen y utilizan la energía y como se replican.
Hoy
en día conocemos bastante sobre la composición química de la materia
viva y las funciones que los distintos componentes desempeñan, aunque a
nivel celular es tal la cantidad de biomoléculas existentes que aún
tardaremos bastantes años en tener un conocimiento exhaustivo de la
composición celular, intracelular, de sus relaciones y de sus distintas
funciones.
La complejidad de todos estos procesos
nos lleva a plantearnos preguntas tan fundamentales como las siguientes:
¿Cómo surgieron las biomoléculas? ¿Cómo estas biomoléculas
"aprendieron" a interaccionarse entre sí y a organizarse? ¿Cómo
surgieron las primeras células o la primera estructura "viva" a partir
de moléculas orgánicas? ¿Cómo se desarrollaron las primeras células,
para constituir el extraordinario abanico que hoy conocemos?
Entre
los grupos de sustancias más importantes que componen los seres vivos
merece mención especial el agua, ya que debido a su abundancia y
ubicuidad no parece que seamos conscientes de su importancia como
componente básico y necesario para cualquier forma de vida.
Componentes inorgánicos y orgánicos
El
análisis de la materia viva revela una gran similitud para todos los
organismos tanto animales como vegetales. El hombre, el árbol, el
protozoo, la bacteria o el virus están químicamente constituidos por una
serie de elementos y compuestos químicos de un parecido sorprendente.
Lo mismo ocurre en general con las reacciones químicas que se llevan a
cabo con tales sustancias.
El análisis químico de
la materia viva pone de manifiesto que en su composición se encuentran
una serie de cuerpos simples denominados elementos biogénicos.
Aunque ninguno de tales elementos es propio y exclusivo de la materia
viva, sólo un número relativamente reducido de los que se encuentran en
la naturaleza entran a formar parte de la misma.
Los
principales elementos biogénicos son cuatro: carbono, oxígeno,
hidrógeno y nitrógeno. Estos elementos entran a formar parte de la
materia viva en una proporción muy superior a los restantes, gracias a
poseer dos propiedades fundamentales:
a) Tener un peso atómico bajo.
b)
Abundar en las capas externas de la Tierra (corteza terrestre,
atmósfera e hidrosfera), o sea, las que se hallan en contacto con los
seres vivos.
La primera cualidad, esto es, un bajo
peso molecular, les permite formar moléculas muy complejas de gran
tamaño con una energía de enlace baja, lo que resulta muy favorable para
el continuo construir y destruir de materia a que se ven sometidos los
seres vivientes por su metabolismo. Además, por tener un peso atómico
bajo, son muy solubles en el agua, circunstancia favorable para ser
incorporados al ser vivo o eliminados del mismo.
La
segunda cualidad es también muy importante: los seres vivos necesitan
formarse con elementos simples que puedan conseguir con facilidad, es
decir, que abunden en la naturaleza para poder disponer de ellos en
cualquier momento.
Las biomoléculas
La
composición química de los seres vivos es, cualitativamente, muy
diferente a la del entorno físico en que viven. La mayor parte de los
componentes químicos de los organismos son compuestos orgánicos de
carbono en los que el elemento se halla relativamente reducido o
hidrogenado. Muchas biomoléculas orgánicas contienen también nitrógeno.
Los
compuestos orgánicos presentes en la materia viva muestran enorme
variedad, y la mayor parte de ellos son extraordinariamente complejos.
Aun las más sencillas de las células, las bacterias, contienen gran
número de distintas moléculas orgánicas. Se calcula que la bacteria Escherichia coli
contiene alrededor de 5.000 compuestos orgánicos diferentes, entre
ellos unas 3.000 clases diferentes de proteínas y 1.000 tipos distintos
de ácidos nucleicos. Además, la mayor parte de la materia orgánica en
las células vivas está constituida por macromoléculas, de pesos
moleculares muy grandes, que incluyen no solamente a las proteínas y a
los ácidos nucleicos sino también a sustancias polímeras tales como el
almidón y la celulosa.
Si consideramos ahora
organismos mayores y más complejos, como son los animales y las plantas
superiores, hallaremos que también contienen proteínas y ácidos
nucleicos, en mayor variedad. En el organismo humano puede haber hasta
100.000 clases de proteínas diferentes, en comparación con las 3.000
existentes deEscherichia Coli. Aunque algunas de sus proteínas
actúan de modo muy similar al que lo hacen determinadas proteínas de las
células humanas, ninguna de las proteínas de dicha bacteria es idéntica
a cualquiera de las proteínas encontradas en el hombre. De hecho, cada
especie de organismo posee su propio conjunto de moléculas proteicas y
de ácidos nucleicos químicamente diferentes. Puesto que es probable que
existan alrededor de 1,5 millones de especies de organismos vivientes,
puede calcularse que el conjunto de las especies vivientes debe contener
un billón de tipos diferentes de moléculas proteicas y diez mil
millones de ácidos nucleicos.
Constituye una
paradoja, sin embargo, que la inmensa diversidad de moléculas orgánicas
de los seres vivos se pueda reducir, en último término, a una casi
absurda simplicidad. Sabemos ahora que las macromoléculas de la célula
se hallan formadas por muchas moléculas sencillas, pequeñas unidades
estructurales que se hallan ligadas constituyendo largas cadenas. El
almidón y la celulosa están constituidos por hebras muy largas de
moléculas de glucosa unidas covalentemente. Los diferentes tipos de
proteínas están formados por largas cadenas de aminoácidos unidos
covalentemente. En las proteínas sólo se encuentran 20 tipos diferentes
de aminoácidos, pero están ordenados en muchas secuencias distintas, de
modo que forman numerosos tipos de proteínas. Análogamente, los ácidos
nucleicos de los que existen dos tipos (DNA y RNA), están constituidos a
partir de un total de ocho sillares diferentes, los nucleótidos.
Además, los 20 aminoácidos distintos constituyentes de las proteínas, y
los ocho nucleótidos diferentes que integran los ácidos nucleicos son
idénticos en todas las especies vivientes.
El
reducido número de moléculas sencillas, sillares estructurales con que
están construidas todas las macromoléculas, posee otra sorprendente
característica: cada una de ellas desempeña más de una función en las
células vivientes, y algunas son tan extremadamente versátiles que
realizan un buen número de funciones. Los aminoácidos no sólo actúan
como sillares de las proteínas, sino también como precursores de
hormonas, alcaloides, las porfirinas, los pigmentos y otras muchas
biomoléculas. Diversos mononucleótidos no sólo constituyen las unidades
fundamentales de los ácidos nucleicos, sino que actúan también como
coenzimas y moléculas transportadoras de energía. Por todo ello, parece
probable que las biomoléculas fundamentales de las estructuras complejas
fuesen seleccionadas, en el curso de la evolución biológica, por su
capacidad de desempeñar diversas funciones. Por lo que sabemos hasta
ahora, los organismos vivos no contienen normalmente compuestos sin una
función definida, aunque existen algunas biomoléculas cuyas funciones
aún no se comprenden.
Ahora se pueden deducir
algunos de los axiomas de la lógica molecular de la vida. Ya que los
millares de macromoléculas presentes en las células están construidas
con sólo unas pocas moléculas sencillas, puede formularse el primer
axioma: En la organización molecular de la célula existe una simplicidad fundamental.
Puesto que estas biomoléculas sencillas son idénticas en todas las especies conocidas, podemos deducir que: todos los organismos vivos proceden de un antepasado común.
Debido a que cada organismo posee su propio conjunto distintivo de ácidos nucleicos y de proteínas surge otro axioma: La
identidad de cada una de las especies de organismos está preservada por
su posesión de un conjunto distintivo de ácidos nucleicos y proteínas.
En la versatilidad funcional de esas biomoléculas básicas podemos percibir, además, la existencia de un principio de economía molecular.
Quizá las células vivas sólo contienen las moléculas más sencillas
posibles en el mínimo número de tipos diferentes, para dotarlas de vida y
de la identidad de especie en las condiciones ambientales en que viven.
Adecuación biológica de los compuestos orgánicos e inorgánicos
Algunos
elementos químicos son más adecuados que otros para la construcción de
las moléculas de los organismos vivos. Solamente 22 de los 100 elementos
químicos hallados en la corteza terrestre son componentes esenciales de
los organismos vivos. Los cuatro elementos más abundantes en la corteza
terrestre son el oxígeno, el silicio, el aluminio y el hierro. En
contraste, los cuatro elementos más abundantes en los organismos vivos
son el oxígeno, el carbono, el hidrógeno y el nitrógeno, que constituyen
alrededor del 99% de la masa de muchas células. El 1% restante lo
constituyen los siguientes elementos: fósforo, azufre, sodio, potasio,
magnesio, calcio, cloro, manganeso, hierro, cobalto, cobre, cinc, boro,
aluminio, vanadio, molibdeno, iodo, silicio, estaño, níquel, cromo,
flúor y selenio.
El carbono, el hidrógeno, el
nitrógeno y el oxígeno poseen una propiedad común: forman con facilidad
enlaces covalentes mediante reparto de electrones. Para completar sus
capas electrónicas externas y formar, de este modo, enlaces covalentes
estables, el hidrógeno necesita solamente un electrón, dos el oxígeno,
tres el nitrógeno y cuatro el carbono. Los cuatro elementos pueden
reaccionar unos con otros para formar un gran número de compuestos
covalentes diferentes.
Además, tres de estos
elementos (C, N y O) pueden compartir uno o dos pares de electrones para
originar enlaces sencillos o dobles, capacidad que les dota de
considerable versatilidad para el enlace químico. El carbono, el
nitrógeno, el hidrógeno y el oxígeno, se muestran todavía singularmente
idóneos en otro aspecto: son los elementos más ligeros capaces de formar
enlaces covalentes. Puesto que la estabilidad de un enlace covalente se
halla inversamente relacionada con los pesos atómicos de los átomos
unidos, estos cuatro elementos son capaces de formar enlaces covalentes
muy fuertes.
Particularmente significativa es la
capacidad de los átomos de carbono para ejercer interacciones mutuas y
formar enlaces covalentes estables carbono-carbono. Puesto que los
átomos de carbono pueden aceptar o ceder cuatro electrones para
completar el octeto externo, cada átomo de carbono puede formar cuatro
enlaces covalentes con otros cuatro átomos de carbono. De este modo los
átomos de carbono unidos covalentemente pueden constituir esqueletos
lineales o cíclicos para una inmensa variedad de moléculas orgánicas
diferentes. Por otra parte, puesto que los átomos de carbono pueden
formar enlaces covalentes con el oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno, el
fósforo y el azufre, se pueden introducir gran número de clases de
grupos funcionales en la estructura de las moléculas orgánicas.
Los
compuestos orgánicos del carbono poseen todavía otra característica
distintiva. A causa de la configuración tetraédrica de los pares
electrónicos compartidos alrededor de cada átomo de carbono, se pueden
conseguir muchas estructuras tridimensionales diferentes mediante
enlaces carbono-carbono. Ningún otro elemento químico puede formar
moléculas estables de tamaños y formas tan diferentes, ni con tal
variedad de grupos funcionales.
Existe una
jerarquía en la organización molecular de las células. Precursores
simples obtenidos del entorno tales como el dióxido de carbono, agua y
amoniaco, se emplean para formar moléculas sillares como los
aminoácidos, los nucleótidos, los azúcares y los ácidos grasos. Estos, a
su vez, se unen covalentemente para formar diversas macromoléculas como
las proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos y los lípidos.
Las macromoléculas se unen entre sí no covalentemente en complejos
supramoleculares, los cuales en último término se ensamblan para formar
orgánulos celulares.
El agua
El
agua no solamente constituye del 70 al 90% del peso de la mayor parte
de los organismos vivos, sino que representa la fase continua de los
mismos. A causa de su abundancia y ubicuidad el agua es considerada con
frecuencia un líquido inerte, meramente destinado a llenar espacios en
los organismos vivos. Pero, en realidad, el agua es una sustancia de
gran reaccionabilidad, con propiedades poco frecuentes, que la
diferencian mucho, tanto física como químicamente, de la mayoría de los
líquidos corrientes. Sabemos ahora que el agua y los productos de su
ionización, los iones hidrógeno e hidróxilo, son los factores
importantes en la determinación de la estructura y las propiedades
biológicas de las proteínas, de los ácidos nucleicos, así como de las
membranas, de los ribosomas y de otros muchos componentes celulares.
El
agua tiene unas propiedades químicas y físicas que la hacen única
frente a cualquier otro compuesto líquido. A continuación describimos
detalladamente estas propiedades.
Propiedades físicas y enlace de hidrógeno en el agua
El
agua posee un punto de fusión, un punto de ebullición, el calor de
vaporización, el de fusión y la tensión superficial, más elevados que
otros hidruros comparables, tales como el amoniaco (NH3) o el ácido
sulfídrico (SH2),o para el caso, que la mayor parte de los líquidos
corrientes. Todas estas propiedades indican que en el agua las fuerzas
de atracción entre las moléculas y, por tanto, su cohesión interna, son
relativamente elevadas.
Las potentes fuerzas
intermoleculares en el agua líquida están originadas por la distribución
específica de los electrones en la molécula de agua, que le confiere
asimetría eléctrica. El átomo de oxígeno, más electronegativo, tiende a
atraer los electrones no compartidos del átomo de hidrógeno, y deja
desnudos los núcleos de hidrógeno. Esto hace que el átomo de oxígeno
posea una carga parcial negativa, mientras que los átomos de hidrógeno
poseen una carga parcial positiva. Aunque la molécula de agua no posee
una carga neta, es un dipolo eléctrico.
Cuando dos
moléculas de agua están muy próximas, se establece una atracción
electrostática entre los dos dipolos. Ello va acompañado de una
redistribución de las cargas electrónicas en ambas moléculas, lo cual
las hace más sensibles para interaccionar con las moléculas de su
alrededor. Este tipo de unión electrostática es lo que conocemos como enlace por puente de hidrógeno. Esta propiedad es la responsable de la elevada cohesión interna del agua líquida.
Los
enlaces por puentes de hidrógeno se forman y se rompen mucho más
rápidamente en los sistemas acuosos que la mayor parte de los enlaces
covalentes. Este hecho, junto con su especificidad geométrica y su
carácter direccional, proporciona a los enlaces de hidrógeno una gran
ventaja biológica sobre los enlaces covalentes en los fenómenos
biomoleculares que deben producirse a velocidades muy elevadas, tales
como el plegamiento de proteínas en sus conformaciones nativas.
Propiedades disolventes del agua
El
agua es un disolvente mucho mejor que la mayor parte de los líquidos
corrientes. Muchas sales cristalizadas y otros compuestos iónicos se
disuelven con facilidad en el agua, mientras son casi insolubles en los
líquidos no polares.
Una amplia segunda clase de
sustancias, que se disuelven en el agua con facilidad, comprende
compuestos no iónicos pero de carácter polar, tales como los azúcares,
los alcoholes sencillos, los aldehídos y las cetonas. Su solubilidad se
debe a la tendencia de las moléculas de agua a establecer enlaces de
hidrógeno con grupos funcionales polares, tales como los grupos
hidróxilo de los azúcares, etc.
Idoneidad del entorno acuoso para los organismos vivos
Los
organismos vivos se han adaptado efectivamente a su entorno acuoso y
han desarrollado métodos para aprovechar las inusitadas propiedades del
agua. El elevado calor específico del agua resulta útil para los grandes
animales terrestres porque el agua del cuerpo actúa como un tampón
térmico y permite que la temperatura del organismo permanezca
relativamente constante aunque varíe la temperatura ambiente. Además, el
elevado calor de vaporización del agua constituye el medio eficaz por
el que los vertebrados pierden calor: por evaporación del sudor. El
elevado grado de cohesión interna del agua líquida, a causa de la
existencia de enlaces de hidrógeno, es explotado por las plantas
superiores para el transporte de los elementos nutritivos en disolución,
desde las raíces hasta las hojas. Incluso el hecho de que el hielo
tenga una densidad menor que la del agua líquida y por ello flota, posee
importantes ventajas biológicas en la ecología de los organismos
acuáticos. Pero lo más fundamental para todos los organismos vivos es el
hecho de que muchas propiedades biológicas importantes de las
macromoléculas celulares, particularmente de las proteínas y de los
ácidos nucleicos, derivan de sus interacciones con las moléculas de agua
del medio que las rodea.
Las sales minerales
Las
sales minerales desempeñan un papel activo en el funcionamiento
biológico de los seres vivos. Podemos dividir los elementos inorgánicos
en dos grupos. El primero, formado por el sodio, potasio, fosfato,
bicarbonato y cloro, lo componen los elementos inorgánicos que se
encuentran en disolución en forma de iones. Su principal función es la
de regular la presión osmótica de los líquidos extracelulares así como
del protoplasma celular. Así mismo, desempeñan otra serie de importantes
funciones como: depositarse en órganos esqueléticos para darles
consistencia (huesos, dientes, caparazones, etc.); intervenir en los
fenómenos de contracción muscular y conducción nerviosa, etc.; en la
regulación del equilibrio ácido-básico y en acciones específicas de los
cationes tales como la regulación del ritmo cardíaco, etc.
El
segundo grupo lo forman aquellos elementos inorgánicos que se
encuentran ligados químicamente a estructuras orgánicas complejas en las
cuales desempeñan funciones muy importantes; podemos citar varios
ejemplos:
El hierro entra a formar parte de la
hemoglobina o pigmento rojo de la sangre de los vertebrados; de los
citocromos, etc. Como el hierro apenas se elimina del organismo, es
utilizado varias veces cuando se destruyen los compuestos de que forma
parte y por ello sus necesidades alimentarias son mínimas. No obstante,
su escasez o carencia produce anemia.
El cobre entra a formar parte de la llamada hemocianina, pigmento de la sangre de los artrópodos y moluscos que tiene un papel semejante al de la hemoglobina.
El
magnesio es básico para que las plantas verdes puedan formar la
clorofila. Actúa, también, como catalizador de numerosas reacciones
metabólicas.
El yodo es necesario para la formación de la hormona tiroxina cuya deficiencia origina la enfermedad denominada bocio.
Los
hidratos de carbono, sacáridos o glúcidos se definen sencillamente como
polihidroxialdehídos o polihidroxiacetonas y sus derivados. Muchos
poseen la fórmula empírica (CH2O)n, que daba a entender, en su origen,
que se trataba de "hidratos" de carbono. Los monosacáridos, también
llamados azúcares sencillos, están constituidos por una sola unidad de
polihidroxialdehído o polihidroxiacetona. El monosacárido más abundante
es la D-glucosa, que tiene seis átomos de carbono; es el monosacárido
originario del que se derivan muchos más. La D-glucosa es el combustible
principal para la mayoría de los organismos vivos, y es también la
unidad estructural básica de los polisacáridos más abundantes, tales
como el almidón y la celulosa.
Los oligosacáridos
contienen de dos a diez unidades de monosacáridos unidas mediante
enlaces glucosídicos. Los polisacáridos contienen muchas unidades de
monosacárido enlazadas, formando cadenas lineales o ramificadas. Muchos
polisacáridos contienen unidades de monosacáridos que se repiten, bien
de una sola clase, o de dos clases que se alternan.
Los
polisacáridos desempeñan dos funciones biológicas principales: una como
almacenadores de combustible y otra como elementos estructurales. En la
biosfera hay, probablemente, más cantidad de glúcidos que de toda la
demás materia orgánica junta, lo cual es debido en gran parte a la
abundancia en el mundo de las plantas de dos polímeros de la D-glucosa:
el almidón y la celulosa. El almidón es la principal forma de
almacenamiento de combustible en la mayor parte de los vegetales,
mientras que la celulosa es el principal componente extracelular de las
paredes celulares rígidas y de los tejidos fibrosos y leñosos de los
mismos. El glucógeno, que se parece al almidón en su estructura, es el
principal glúcido de reserva de los animales. Otros polisacáridos
desempeñan el papel de componentes principales de las paredes celulares
de las bacterias y de las cubiertas celulares blandas de los tejidos
animales.
Están
formados por C,O e H, siendo frecuente que se unan a estos elementos el
P, N y S. El carácter químico más generalizado entre los lípidos es
contener en su molécula ácidos grasos. Sin embargo, estas
características no son suficientes para definir a los lípidos
químicamente, debiendo recurrirse a sus propiedades físicas para
caracterizarlos. En efecto, todos los lípidos son más o menos untuosos
al tacto, insolubles en el agua y solubles en disolventes orgánicos como
el cloroformo, éter, etanol, xilol, etc.
Los
lípidos desempeñan importantes funciones en los seres vivos, tales como
ser componentes estructurales de las membranas, servir como formas de
transporte y almacenamiento de combustible catabólico, así como cubierta
protectora sobre la superficie de muchos organismos. Son también
componentes de la superficie celular relacionados con el reconocimiento
de las células, la especificidad de especie y la inmunidad de los
tejidos. Además, algunas sustancias clasificadas entre los lípidos
poseen una intensa actividad biológica, entre las que se encuentran
algunas vitaminas y hormonas.
Los
aminoácidos constituyen el alfabeto de la estructura proteica y
determinan muchas de las propiedades importantes de las proteínas.
Además de los 20 aminoácidos hallados como sillares de las proteínas,
otros muchos aminoácidos presentes biológicamente desempeñan otras
funciones en las células.
Los aminoácidos se caracterizan por poseer un grupo amino (-NH2) y otro ácido (-COOH), respondiendo a la siguiente fórmula general en la que R es un radical variable:
NH2
R-CH
COOH
El C central se denomina carbono a.
Por el hecho de tener una función ácida y otra básica (el grupo amino),
los aminoácidos se dice que son anfóteros, es decir, que se pueden
comportar como un ácido o como una base, según sea el pH de la solución
donde se encuentren. Así:
En medio ácido, los aminoácidos se comportan como bases.
En medio básico o alcalino, los aminoácidos se comportan como ácidos.
En cuanto a sus otras propiedades, destacan el ser solubles en agua, incoloros y cristalizables.
Aminoácidos constituyentes de las proteínas
En la figura 1 se muestra la estructura de los 20 a-aminoácidos
hallados corrientemente en las proteínas, llamados también aminoácidos
corrientes. Excepto la prolina, todos ellos tienen como denominadores
comunes un grupo carboxilo libre y un grupo amino libre no sustituido en
el átomo de carbono a. Difieren entre sí en la estructura de sus cadenas laterales distintivas, llamadas grupos R.
Se
han propuesto varios métodos para clasificar los aminoácidos sobre la
base de los grupos R. El más significativo se funda en la polaridad de
los grupos R. Existen cuatro clases principales: 1) grupos R no polares o
hidrófobos; 2) polares, pero sin carga; 3) grupos R con carga positiva,
y 4) grupos R cargados negativamente (a pH 6,0-7,0, que es la zona del
pH intracelular).
Los aminoácidos se suelen
designar mediante símbolos de tres letras. Recientemente se ha adoptado
también un conjunto de símbolos de una letra para facilitar la
comparación de las secuencias aminoácidas de las proteínas homólogas.
Con
la única excepción de la glicocola, todos los aminoácidos obtenidos a
partir de la hidrólisis de las proteínas en condiciones lo
suficientemente suaves muestran una actividad óptica; es decir, pueden
hacer girar el plano de la luz polarizada cuando se examinan en un
polarímetro.
Todos los aminoácidos que aparecen en la naturaleza y se han hallado en las proteínas pertenecen a la serie estereoquímica L.
Los aminoácidos para formar los péptidos se unen entre sí formando cadenas. Esta unión denominada enlace peptídico
(-CO-N-) se lleva a cabo precisamente entre el grupo amino de un
aminoácido y el grupo ácido de otro, con desprendimiento de una molécula
de agua.
Las
proteínas son los constituyentes químicos fundamentales de la materia
viva, pues así como los glúcidos y lípidos se encuentran en las células
como simples substancias inertes, los prótidos presentan actividad
vital.
Químicamente tienen una característica esencial: que además de contener en su molécula C, O e H propios de los otros grupos de principios inmediatos, presentan N, elemento que por tanto las caracteriza. Son también frecuentes en ellas el S y el P, y no son raros el Fe y el Cu.
Pero lo verdaderamente transcendental de las moléculas de proteínas es
que los elementos químicos antes citados se agrupan para formar unos
componentes elementales, los aminoácidos, que pueden considerarse como
los ladrillos de los edificios moleculares proteicos.
Otra
característica importante de las proteínas es que sus moléculas son de
enorme tamaño (macromoléculas) y, por tanto, de elevado peso molecular.
Así, lalactoalbúmina tiene un peso molecular del orden de 17.000;
la albúmina de huevo, de 38.000; el fibrinógeno de la sangre de
500.000, etc., pero con la extraordinaria particularidad de que tales
edificios moleculares se forman y desmoronan con gran facilidad y a ello
debe precisamente la materia viva su constante renovación.
Las propiedades más destacadas de las proteínas son las siguientes:
Forman
soluciones coloidales, capaces de precipitar con formación de coágulos
al ser tratadas con soluciones salinas, ácidos, etc., o calentadas a
temperaturas superiores a los 70ºC (recuérdese como la leche forma
coágulos; como la clara de huevo se coagula por calor, etc.). Algunas
proteínas pueden cristalizar.
Una de las
propiedades más características de las proteínas es su especificidad, es
decir, que cada especie animal o vegetal fabrica sus propias proteínas
distintas de las demás especies, y aún dentro de la misma especie, hay
diferencias entre los distintos individuos, lo que no ocurre con los
glúcidos y los lípidos, que son comunes a todos los seres vivos. La
diferencia entre las proteínas de las distintas especies animales o
vegetales e incluso de los distintos individuos, obedece a la forma de
sucederse los aminoácidos en sus moléculas. Biológicamente, la
especificidad de las proteínas es trascendental, pues cuando una
proteína de un organismo se introduce en otro como un cuerpo extraño,
como un elemento tóxico, el organismo que la recibe se defiende con
intensas reacciones. Todo ello es de gran importancia a la hora de
aplicar sueros sanguíneos, realizar trasplantes o injertos, etc.
Las
proteínas son los principios inmediatos esencialmente plásticos, es
decir, se incorporan a los organismos edificando la propia materia de
éstos. Sólo excepcionalmente actúan como fuente de energía.
Cuando
una proteína se descompone por hidrólisis, origina unas substancias de
molécula más sencilla, denominadas péptidos, y estos a su vez, al
descomponerse originan los llamados aminoácidos, que por tanto son, como
hemos dicho, los ladrillos o piezas fundamentales que forman los
edificios moleculares proteicos.
Durante los
últimos años los estudios llevados a cabo especialmente con el análisis
por difracción de rayos X y otros métodos físicos complementarios, han
permitido conocer cómo se agrupan y disponen en el espacio las cadenas
de polipéptidos, para formar las proteínas, es decir, han permitido
descubrir su estructura tridimensional. De acuerdo con dichos estudios
podemos distinguir en las proteínas cuatro niveles estructurales:
primario, secundario, terciario y cuaternario.
La estructura primaria indica la secuencia de los aminoácidos; la estructura secundaria puede ser en lámina plegada o estructura a; la estructura terciaria es la disposición en el espacio de la proteína y la estructura cuaternaria,
es la estructura tridimensional formada por varias subunidades de
proteína. Los principales tipos de proteínas son las holoproteínas
(albúminas, globulinas y proteínas fibrilares) y las heteroproteínas
(glucoproteídos, fosfoproteídos, cromoproteídos y nucleoproteídos). La
biosíntesis de las proteínas se realiza en los ribosomas como
consecuencia de la traducción del ARNm.
Las enzimas son los catalizadores biológicos que permiten que se realicen las reacciones biológicas en condiciones suaves.
Al
igual que las enzimas, las vitaminas son otro grupo de biocatalizadores
indispensables para el buen funcionamiento de los seres vivos. Desde el
punto de vista químico, las vitaminas poseen una composición muy
variada. Por ello, el denominador común que las agrupa es su papel
fisiológico como sustancias biocatalizadores de los complicados procesos
químicos que tienen lugar en el seno de la materia viva.
La
falta, o mejor dicho, deficiencia vitamínica en las reacciones acarrea
en los organismos serias perturbaciones que se conocen con el nombre de
"carencias vitamínicas" o "avitaminosis", aunque es mucho más correcto
denominarlas "hipoavitaminosis", ya que en la práctica tales
enfermedades obedecen no a la falta total de vitaminas, sino a una
notoria disminución en su aporte alimenticio.
Clásicamente,
se han establecido dentro de las vitaminas dos grupos: según su
capacidad de disolución en el agua o en las grasas. Así, se dividen en liposolubles(solubles en las grasas o en los disolventes de éstas) e hidrosolubles (solubles en el agua).
El
ácido desoxirribonucleico (DNA) y el ácido ribonucleico (RNA) son
macromoléculas catenarias que actúan en el almacenamiento y en la
transferencia de la información genética. Son componentes principales de
las células, y constituyen, en conjunto, entre el 5 y el 15 por ciento
de su peso seco. Los ácidos nucleicos están también presentes en los
virus, complejos de proteína y en ácidos nucleicos infecciosos capaces
de dirigir su propia réplica al infectar a una célula huésped
específica. Aunque los ácidos nucleicos reciben esta denominación porque
el DNA fue aislado por primera vez del núcleo celular, tanto el DNA
como el RNA se encuentran también en otras partes de las células.
Al
igual que los aminoácidos son los sillares, o unidades monómeras, de
los polipéptidos, los nucleótidos son las unidades monómeras de los
ácidos nucleicos. La analogía entre las proteínas y los ácidos nucleicos
puede llevarse aún más lejos. Así como un tipo de molécula proteica se
distingue de otra por la secuencia de las cadenas laterales
características, o grupos R, de los aminoácidos monómeros, también cada
tipo de ácido nucleico se distingue por la secuencia de las bases
heterocíclicas características de sus monómeros nucleotídicos.
Las
unidades monómeras del DNA se llaman dexosirribonucleótidos y las del
RNA, ribonucleótidos. Cada nucleótido contiene tres componentes
característicos: una base nitrogenada heterocíclica, que es un derivado
de la purina o de la pirimidina; una pentosa, y una molécula de ácido
fosfórico
