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:
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, cuatro: carbono (C), hidrógeno (H), nitrógeno (N) y oxígeno (O), constituyen el 96% de todos los seres vivos.
2. Átomos
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.
La partícula más pequeña de un elemento que posee todas las propiedades químicas características de ese elemento, es el átomo.
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.
De los 92 elementos químicos que existen en la naturaleza, cuatro: carbono (C), hidrógeno (H), nitrógeno (N) y oxígeno (O), constituyen el 96% de todos los seres vivos.
2. Átomos
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.
La partícula más pequeña de un elemento que posee todas las propiedades químicas características de ese elemento, es el átomo.
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, 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 distinguen por el número de protones que contienen, cantidad que constituye el número atómico.
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: se produce cuando los electrones son transferidos de un átomo a otro.
Cuando pierden o ganan electrones, los átomos quedan eléctricamente cargados y se denominan iones.
Los iones positivos se denominan cationes y los negativos aniones.
2) Enlace covalente: se forma 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.
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: compuestos de azúcares;
_Lípidos: que contienen ácidos grasos;
_Proteínas: formadas por aminoácidos;
_Ácidos nucleicos: compuestos por nucleótidos.
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)" 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:
_monosacáridos (un azúcar): son los glúcidos más sencillos formados por una sola molécula;
_disacáridos (dos azúcares): formados por dos azúcares;
_polisacáridos: son polímeros que pueden contener hasta miles de moléculas de monosacárido.
La manera en que los azúcares se unen unos con otros, se denomina síntesis de condensación.
Estas uniones pueden romperse mediante un proceso inverso denomina hidrólisis.
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.
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. 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:
_Estructura primaria: constituida por la secuencia lineal de aminoácidos.
_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:
_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.
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
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.
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.
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, o coenzima si se trata de una molécula orgánica.
3.5. Nucleótidos y Ácidos Nucleicos
Los ácidos nucleicos son grandes moléculas formadas por nucleótidos.
Se definen como:
Ácidos nucleicos: "moléculas orgánicas compuestas de nucleótidos unidos entre sí por enlaces fosfodiéster. El ARN y el ADN son ácidos nucleicos"
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:
_Bases púricas: formadas por un anillo doble; a este grupo pertenecen la adenina (A) y la guanina (G).
_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 o ATP.
La importancia especial de los nucleótidos estriba en que constituyen los elementos que componen los ácidos nucleicos, moléculas que almacenan la información biológica para asegurar la transmisión de la información genética de unas células a otras y conseguir que esta transmisión se exprese.
Existen dos tipos principales de ácidos nucleicos:
1) Ácido ribonucleico (ARN) "modelo de cadena simple formada por una secuencia lineal de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster. Existen tres tipos de ARN: ribosómico, mensajero y de transferencia"
2) 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 píricas y pirimidínicas, citosina con guanina y adenina con timina"
Existen dos tipos principales de ácidos nucleicos:
1) Ácido ribonucleico (ARN) "modelo de cadena simple formada por una secuencia lineal de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster. Existen tres tipos de ARN: ribosómico, mensajero y de transferencia"
2) 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 píricas 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 |