Biología Celular

Busto de Demócrito (460-370 a. C.)

Las Moléculas de la Vida

La idea que ha primado a lo largo de la historia de la humanidad, según la cual el ser humano es algo único, hace difícil aceptar que los seres vivos, y entre ellos nuestra especie, están constituidos de los mismos elementos químicos que la materia inanimada y sometidos a las mismas leyes físicas y químicas que los sistemas no vivos.

La Biología Celular es la disciplina que se encarga del estudio de las células en lo que respecta a las propiedades, estructura, funciones, orgánulos que contienen, su interacción con el ambiente y su ciclo vital.


1. Elementos Químicos de la Materia Viva

La materia está constituida por la combinación de:

Elementos químicos: sustancias como el hidrógeno de carbono que no pueden descomponerse en otras sustancias 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% 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.



2. Átomos

Átomo: "Partícula más pequeña de un elemento químico que tiene las propiedades de ese elemento"

El concepto de átomo como bloque básico e indivisible que compone la materia del universo fue postulado por la escuela atomista en la Antigua Grecia, en el siglo V a. C., siendo Demócrito uno de sus máximos exponentes.

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: se mantienen en órbita alrededor del núcleo, por la atracción electrostática que éste ejerce. 

Núcleo: "1. Centro del átomo, que contiene protones y neutrones; 2. Orgánulo delimitado por una doble membrana, propio de la célula eucariota; 3. Grupo de somas neuronales dentro del sistema nervioso central" 

En el núcleo se encuentran dos tipos de partículas:

Protones: poseen carga eléctrica positiva.

Neutrones: 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. 

Obviamente, este número es el mismo para todos los átomos de un elemento determinado.

Los átomos se unen entre sí para formar moléculas.

2.1. Enlaces Químicos 

 

Los enlaces químicos permiten adquirir a los átomos una estructura electrónica estable y energéticamente favorable. Los dos tipos principales de enlaces son:

1) Enlace iónico: "Enlace químico formado al transferirse electrones de un átomo a otro"

Cuando pierden o ganan electrones, los átomos quedan eléctricamente cargados y se denominan iones.

Ion: "átomo o molécula pequeña que contiene un número desigual de electrones y protones y que, por tanto, puede presentar carga eléctrica positiva (catión) o negativa (anión)"

2) Enlace covalente: "Enlace químico producido cuando dos átomos comparten al menos un par de electrones"

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.

Otros enlaces covalente implican compartir más de un par de electrones, son los denominados: enlaces dobles.

Los átomos de oxígeno atraen los electrones de manera 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.

3. 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.

La moléculas se pueden clasificar en:

1) 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.

2) Moléculas orgánicas: son las que caracterizan a los seres vivos. 

Éstas moléculas se organizan alrededor del carbono, elemento que destaca entre todos los demás elementos de la tierra por su capacidad para formar grandes moléculas.

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.

La mayoría de ellas son monómeros que forman polímeros denominados macromoléculas. 

Entre los principales tipos de moléculas orgánicas presentes en grandes cantidades en los seres vivos están los: glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos.

3.1. Agua

El agua es la molécula más abundante de los seres vivos y sin ella la vida, probablemente, no se hubiera desarrollado. 

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.

Cuando la región con carga positiva de una molécula (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 entra 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.

Los puentes de hidrógeno no son exclusivos de las moléculas de agua.

Todas aquellas moléculas que son polares pueden formar también puentes de hidrógeno con el agua y disolverse rápidamente en ella y se denominan hidrofílicas.

Las moléculas hidrofóbicas, por el contrario, que carecen de regiones polares, no se disuelven en agua y tienden a cohesionarse ( formando por eje. las gotas de aceite que flotan en el agua).

La polaridad de la molécula de agua va a tener un papel esencial en cómo se estructuran muchas de las biomoléculas para ejercer su función.

3.2. Glúcidos

 

Glúcidos: "Moléculas orgánicas formadas por carbono, oxígeno e hidrógeno en unas proporciones determinadas (CH2O)n. También se denominan hidratos de carbono o carbohidratos"

También se denominan hidratos de carbono o carbohidratos.

Los glúcidos están formados a partir de pequeñas moléculas llamadas azúcares, de las que los seres vivos obtienen energía. 

Se pueden clasificar, en función del número de unidades que contienen, en:

1) Monosacáridos: son los glúcidos más sencillos formados por una sola molécula. El monosacárido más importante, tanto cuantitativa como funcionalmente, es la glucosa.

2) Disacáridos: formados por dos azúcares. La sacarosa es el disacárido más conocido (azúcar común obtenida de la caña de azúcar o de la remolacha).

3) Polisacáridos: son polímeros que pueden contener hasta miles de moléculas de monosacárido y son los glúcidos más abundantes en la naturaleza. 

El glucógeno es el principal polisacárido de reserva de los animales formado por unidades de glucosa.

El almidón es el principal polisacárido de reserva que se sintetiza.

Entre los polisacáridos que desempeñan un papel estructural se encuentra la celulosa, la cual resulta muy útil en el proceso digestivo coco facilitadora del paso de los alimentos a través del intestino.

La manera en que los azúcares se unen unos con otros, se denomina síntesis de condensación..

Estas uniones pueden romperse mediante un proceso inverso denominado:

Hidrólisis: "Reacción química en la que participa el agua, de forma que los elementos en los que se divide un compuesto se combinan con el H+ y el OH- de una molécula de agua"

El glucógeno es el principal polisacárido de reserva de los animales, formado por unidades de glucosa.

El almidón es el principal polisacárido de reserva que se sintetiza y almacena en los vegetales.

Entre los polisacáridos que desempeñan un papel estructural, se encuentra la celulosa.

3.3. Lípidos

Lípidos: "Moléculas orgánicas muy variadas que tienen en común ser insolubles en agua. Un grupo de éstos, los fosfolípidos, constituyen la base estructural de las membranas biológicas"

La característica común de todas las sustancias lipídicas es la naturaleza hidrofóbica de sus moléculas, lo que implica que son insolubles en agua.

Mientras que los glúcidos son la principal fuente de energía inmediata del organismo, los lípidos actúan como energía de reserva.

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 ácidos grasos.

Éstos 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.

Las grasas de los alimentos de procedencia animal (como carne, mantequilla...) suelen contener una gran proporción de ácidos grasos saturados, mientras que las grasas de origen vegetal (que se encuentran en semillas, frutos...) tienen una gran proporción de ácidos grasos insaturados, y su presencia en la dieta humana es imprescindible.

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.

La membranas están formadas principalmente por fosfolípidos.

Hay otro tipo de lípidos entre los que se encuentran un grupo de sustancias denominadas esteroides.

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.

Existen otros tipos de lípidos, pero mucho menos abundantes. 

Entre éstos se encuentra un grupo de sustancias denominadas esteroides. 

3.4. Proteínas

Proteínas: "Moléculas formadas por una secuencia lineal de aminoácidos unidos entre sí mediante enlaces peptídicos"

Son la moléculas más abundantes e intervienen en prácticamente todas las funciones de los seres vivos.

Desde el punto de vista estructural, las proteínas se forman por la unión en una secuencia lineal de otras moléculas llamadas aminoácidos.

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.

Las propiedades químicas y biológicas de cada aminoácido vienen determinadas por la naturaleza de las cadenas laterales (grupo R).

Para constituir las proteínas, los aminoácidos se unen mediante un enlace peptídico formado por síntesis de condensación, y la cadena de aminoácidos que de esta manera se constituye se denomina Polipéptido: "Sinónimo de proteína" 

La mayoría de las cadenas polipeptídicas se pliegan adoptando una conformación particular. 

Esta conformación se mantiene mediante los enlaces que se forman entre los aminoácidos.

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.

Cuando se describe la estructura de una proteína resulta muy útil distinguir diferentes niveles de organización:

1) Estructura primaria: constituida por la secuencia lineal de aminoácidos.

2) Estructura secundaria: las interacciones que establecen los enlaces de hidrógeno entre fragmentos próximos de la cadena polipeptídica hace que se repliegue sobre sí misma dando lugar a una complicada:

3) Estructura terciaria: disposición tridimensional de todos los átomos de una proteína, y es resultado de la interacción que se establece entre los grupos R de los diferentes aminoácidos de la cadena polipeptídica. En este caso, además de enlaces débiles, se pueden formar también enlaces covalentes como, por eje. el enlace disulfuro.

Las proteínas pueden ser clasificadas en dos grupos principales:

a) Proteínas fibrosas: formadas por un único tipo de estructura secundaria.

b) Proteínas globulares: son más complejas estructuralmente, ya que a menudo contienen varios tipos de estructura secundaria que se repliega sobre sí misma dando lugar a una complicada estructura terciaria.

Las proteínas formadas por más de de una cadena polipeptídica tienen un nivel adicional de estructura:

Estructura cuaternaria: estas proteínas están compuestas por dos o más cadenas polipeptídicas separadas, con su correspondiente estructura terciaria, que pueden se idénticas o diferentes.

La hemoglobina es un ejemplo de proteína compuesta por varias unidades.

3.4.1. Enzimas 

Enzima: "Proteína que cataliza una reacción química determinada"

Las enzimas constituyen el grupo de proteínas más variadas y especializadas. 
Intervienen en las reacciones mediante las que se degradan los nutrientes, se transforma la energía y se fabrican las macromoléculas biológicas desde precursores más simples.

La enzimas consiguen que disminuya la cantidad de energía de activación necesaria para que las reacciones tengan lugar dentro de la célula.

Las moléculas que tienen este efecto se denominan catalizadores.

Catalizador: "Sustancia que acelera las reacciones químicas sin sufrir modificaciones"

Las enzimas están compuestas normalmente de varias cadenas polipeptídicas que se hallan plegadas.

Entre estos pliegues se sitúa el sustrato, molécula sobre la que actúa para producir la reacción catalizada.

La parte de la molécula enzimática donde se une el sustrato se denomina centro activo.

Algunas enzimas requieren la presencia de otras sustancias químicas para poder funcionar.

Este componente químico adicional se denomina:

Cofactor: "Coenzima o ion inorgánico necesario para la actividad de algunas enzimas"

Coenzima: "Molécula orgánica necesaria para las reacciones químicas que catalizan algunas enzimas. Componente activo de la holoenzima (enzima activa formada por la apoenzima y la coenzima) de bajo peso molecular"

3.5. Nucleótidos y Ácidos Nucleicos

Ácido nucleico: "Molécula orgánica compuesta de nucleótidos unidos entre sí por enlaces fosfodiéster. El ADN y el ARN son 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.

Nucleótidos: realizan funciones esenciales en el metabolismo celular.

Un nucleótido es una molécula compleja formada por la unión de moléculas distintas:

1) Bases nitrogenadas: moléculas compuestas por carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, que adoptan la estructura de anillo. Hay dos tipos de bases nitrogenadas:

2) Bases púricas: formadas por un anillo doble; a este grupo pertenecen la adenina (A) y la guanina (G).

3) Bases pirimidínicas: presentan un sólo anillo en sus moléculas: 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.

Los nucleótidos pueden actuar como transportadores de la energía química y entre ellos destaca el principal portador de energía en todos los procesos biológicos, el: 

Adenosín trifosfato (ATP): "Molécula que constituye la fuente de energía básica de la célula. Su degradación a ADP (adenosín difosfato) libera energía que es utilizada en una gran parte de las reacciones químicas del metabolismo celular"

 

Existen dos tipos principales de ácidos nucleicos:

Ácido ribonucleico (ARN):"Molécula de cadena simple formada por una secuencia lineal de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster. Existen tres tipos de ARN: ribosómico, mensajero y de transferencia"

Ácido desoxirribonucleico (ADN): "Molécula de doble cadena que codifica la información genética; ambas cadenas se mantienen juntas por la fuerza de puentes de hidrógeno entre bases púricas y pirimidínicas, citosina con guanina y adenina con timina"

"Representación esquemática de la molécula de
ADN, molécula portadora de la información genética"

Situación del ADN dentro de una célula eucariota

Friedrich Miescher (1844-1895)

El ADN fue aislado por primera vez en 1869 por
el biólogo y médico suizo Friedrich Miescher