BASES QUÍMICAS DE LA VIDA.

La vida se basa en las propiedades de los átomos y está regulada por los mismos principios de la química y física que todos los demás tipos de materia.

El nivel de organización celular está a sólo un pequeño paso del nivel atómico, como se evidenciará cuando se examine la importancia del movimiento de unos cuantos átomos de una molécula durante actividades como la contracción muscular o el transporte de sustancias a través de las membranas celulares.

Este es el objetivo del capítulo: presentar la información necesaria sobre la química de la vida para permitir al lector comprender las bases de la vida. Se comenzara con la consideración de los tipos de enlaces que pueden formar los átomos entre sí.

ENLACES COVALENTES:

Los átomos que conforman una molécula están unidos por enlaces covalentes., en los que pares de átomos comparten pares de electrones. La formación de un enlace covalente entre dos átomos está regulada por el principio fundamental de que un átomo es más estable cuando la capa más externa de electrones está completa.  Por consiguiente, el número de enlaces que un átomo puede formar depende del número de electrones que necesita para llenar el nivel más externo.

La formación de un enlace covalente se acompaña de la liberación de energía, que debe reabsorberse en algún momento para romper el enlace.

En muchos casos, dos átomos pueden unirse por enlaces en loa que se comparten más de un par de electrones. Los enlaces dobles pueden funcionar como centros captores de energía. Impulsan procesos vitales como la respiración y la fotosíntesis. Además, los electrones compartidos tienden a localizarse más cerca del átomo con la mayor fuerza de atracción, o sea, el átomo más electronegativo. Entre los átomos presentes con mayor frecuencia en las moléculas biológicas, el nitrógeno y el oxígeno tiene una fuerza electronegativa importante.

-Moléculas polares y no polares.

Se dice que las moléculas se polarizan, de manera que uno de los átomos tiene una carga negativa parcial y el otro una carga positiva parcial y el otro una carga positiva parcial.

Las moléculas como el agua, que tiene una distribución asimétrica de la carga (o dipolos) se denominan moléculas polares. Las moléculas polares de importancia biológica contienen uno o más átomos electronegativos. Las moléculas que carecen de átomos electronegativos y enlaces muy polarizados, como las formadas solo por átomos de carbono e hidrogeno, se conocen como no polares.

-Ionización.

Ciertos átomos tienen tanta electronegatividad que pueden capturar electrones de otros átomos durante una reacción química.

El ion cloro tiene un electrón adicional, tiene carga negativa (Cl-) se lo denomina anión. El átomo de sodio, que perdió un electrón, queda con una carga positiva adicional (Na+) y se conoce como catión.

Una disposición distinta de los electrones dentro de un átomo puede producir una especie muy reactiva, una radical libre. La estructura de los radicales libres y su importancia en la biología son el tema de la sección Perspectiva humana.

ENLACES NO COVALENTES.

Las interacciones entre moléculas están reguladas por diversos enlaces más débiles llamados enlaces no covalentes. Los enlaces no covalentes no dependen de electrones compartidos, sino de fuerzas de atracción entre átomos con carga contraria. Los enlaces no covalentes individuales son débiles y, por tanto, son fáciles de romper y deformar.

Aunque los enlaces no covalentes son débiles, cuando mucho de ellos actúan en concierto, como ocurre entre dos cadenas de una molécula de DNA  o entre distintas partes de una proteína grande, sus fuerzas de atracción son aditivas.

-Enlaces iónicos: atracciones entre átomos con carga.

Muchos biólogos creen que el envejecimiento se deriva de la acumulación gradual de daño en los tejidos del cuerpo. Es probable que el daño más destructivo ocurra en el DNA. Las alteraciones en el DNA generan mensajes genéticos erróneos que promueven el deterioro celular gradual.

Este daño celular se da cuando los átomos o moléculas que contienen orbitales con un solo electrón tienden a ser muy inestable, los cuales se les llama radicales libres. Estos pueden formarse cuando un enlace covalente se rompe, de manera que cada parte conserva la mitad de los electrones compartidos.

Los radicales libres son muy reactivos y capaces de producir alteraciones químicas a muchos tipos de moléculas, incluidos proteínas, ácidos nucleicos y lípidos.

El peróxido de hidrógeno también es un agente oxidante potencialmente reactivo, razón por la cual se una a menudo como desinfectante y bloqueador.  

Por consiguiente aparece el SOD donde la importancia se observa con más claridad en estudios con bacterias mutantes y levaduras que carecen de la enzima; estas células son incapaces de crecer en presencia de oxígeno, en esto se da el caso de los ratones que no tienen la isoforma mitocondrial de la enzima (SOD2) son incapaces de sobrevivir más de una semana después de nacer. Por el contrario, los ratones modificados por ingeniería genética viven  20% más que los testigos no modificados. Este hallazgo fue la primera demostración de que el aumento en las defensas antioxidantes pueda prolongar la vida de un mamífero.

Estas situaciones se informan en muchos noticieros televisivos, cada vez más seres humanos esperan prolongar su vida mediante la práctica de la restricción calórica. Se comenzó un estudio llamado CALERIE por The National Institutes of Aging en personas con sobrepeso que se mantienen con dietas que aportan 25% menos calorías de las que se necesitarían para mantener su peso corporal habitual. Después de un periodo los mismos presentan cambios metabólicos notables; tienen menor temperatura corporal; sus concentraciones sanguíneas son menores; perdieron peso y su gasto energético se redujo más de lo esperado. Aunque estos estudios no han durado lo suficiente para determinar si se aumenta su esperanza de vida máxima, los animales también tienen concentraciones más bajas, lo que hace menos proclives a trastornos vinculados con la edad. Un área de investigación relacionada se encarga del estudios de sustancias llamadas antioxidantes, capaces de destruir radicales libres en él tuvo de ensayo. Los antioxidantes que se encuentran en el cuerpo incluyen glutatión, vitamina E, vitamina C y caroteno B, un antioxidante en el que se ha puesto mucho interés es el resveratrol, un compuesto fenólico que se encuentra en altas concentraciones en la piel de las uvas rojas. 

-Enlaces de hidrógeno.

Cuando un átomo de hidrogeno se une en forma covalente con un átomo electronegativo, en particular con un átomo de oxigeno o de nitrógeno, el par único de electrones se desplaza mucho hacia el núcleo del átomo electronegativo, lo que deja al átomo de hidrogeno con una carga positiva parcial. Esto da como resultado, el núcleo desnudo con carga positiva del átomo de hidrogeno puede aproximarse lo suficiente a un par no compartido de electrones exteriores de un segundo átomo electronegativo para formar una interacción atractiva. Esta interacción se la denomina enlace de hidrogeno.

-Interacciones hidrófobas y fuerzas de van der Waals.

Por su capacidad de interactuar con el agua, se dice que las moléculas polares como los azucares y aminoácidos son Hidrofílicos. Las moléculas no polares, como los esteroides y grasas, son insolubles en agua porque carecen de las regiones cargadas que las atraerían a los polos de las moléculas de agua. Cuando los compuestos no polares se mezclan con agua, las moléculas hidrófobas se reúnen en agregados, lo cual disminuye su exposición al ambiente polar. Esta relación se define como interacción hidrófoba.

Las interacciones hidrófobas del tipo descrito no se clasifican como enlaces verdaderos porque no se deben a una atracción entre las moléculas hidrófobas. Un examen más cercano de los enlaces covalentes que conforman una molécula no polar revela que la distribución de electrones no siempre es simétrica. La distribución de electrones alrededor de un átomo en cualquier instante determinado es un asunto estadístico y, por tanto, varía de un instante a otro. Estas asimetrías transitorias en la distribución electrónica producen separaciones momentáneas de la carga dentro de la molécula. Si dos moléculas con dipolos transitorios están muy próximas entre si y orientadas en forma adecuada, experimentan una débil fuerza de atracción, llamada fuerza de van der Waals.

-Propiedades del agua para mantener la vida.

La vida en la Tierra depende por completo del agua y es factible que esta sea esencial para la existencia de la vida en cualquier parte del universo. Aunque solo contiene tres átomos, una molécula de agua. Las propiedades más importantes que nos brinda son:

v    El agua es una molécula muy asimétrica con el átomo del oxígeno en un extremo y los dos de hidrogeno en el otro.

v    Cada uno de los dos enlaces covalentes de la molécula está muy polarizado.

v    Los tres átomos de la molécula de agua son adeptos a formar enlaces de hidrogeno.

Cada molécula de agua puede formar enlaces de hidrogeno hasta con cuatro moléculas de agua más, lo que produce una red bien conectada de moléculas.

Por sus abundantes enlaces de hidrogeno, las moléculas de agua tienen una adherencia inusualmente fuerte a adherirse entre sí.

LA NATURALEZA DE LAS MOLÉCULAS BIOLÓGICAS.

El cuerpo está constituido mayormente por agua.

Conforme los químicos aprendieron a sintetizar cada vez más moléculas con carbono en los laboratorios, desapareció la mística vinculada con los compuestos orgánicos. Los compuestos producidos por organismos vivos se llaman bioquímicos.

La química de la vida gira alrededor de la química del átomo de carbono. La calidad esencial del carbono que le ha permitido cumplir su función es el increíble número de moléculas que puede formar.

-Macromoléculas: son las moléculas que forman la estructura y realizan las actividades de las células son moléculas enormes, bien organizada, que contienen entre docenas y millones de átomos de carbono.

-Bloques de construcción de las macromoléculas: la mayor parte de las macromoléculas entro de una célula tiene una vida corta en comparación con la célula misma; salvo por el DNA de la célula, todo el tiempo se degradan y reponen por nuevas macromoléculas.

-Intermediarios metabólicos: las moléculas de una célula tienen estructuras químicas complejas y deben sintetizarse en una secuencia paso a paso que comienza con materiales iniciales específicos.

-Moléculas con función diversa: son aquellas que incluyen sustancias como vitaminas, que actúan sobre todo como auxiliares de las proteínas; ciertas hormonas esteroideas o formadas por aminoácidos; moléculas participantes en el almacenamiento de energía, como ATP; moléculas reguladoras como AMP cíclico, y productos metabólicos de desecho, como la urea.

TIPOS DE MOLÉCULAS BIOLÓGICAS.

Carbohidratos:

Incluyen a las azucares. Son aquellas que tiene como función principal ser la reserva de energía química y materiales de construcción biológicos duraderos. 

Todos los carbohidratos están formados por unidades estructurales de azúcares, que se pueden clasificar según el número de unidades de azúcar que se combinen en una molécula. La glucosa, la fructosa y la galactosa son ejemplos destacados de los azúcares constituidos por una sola unidad (de azúcar); dicho tipo de azúcares se conocen también como “monosacáridos”. A los azúcares constituidos por dos unidades se le denomina “disacáridos”; los disacáridos más ampliamente conocidos son la sacarosa y la lactosa.

Proteínas:

Son polímeros compuestos por cadenas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos.

Una proteína puede tener hasta 4 niveles de estructura:

-Primaria: Secuencia de aminoácidos. (Determinada por genes)

-Secundaria: son las dos estructuras  simples y repetitivas que se mantienen por enlaces de hidrógeno: Hélice  o Lámina plegada.

-Terciaria: Pliegues de la proteína determinados por las interacciones de sus grupos funcionales.

-Cuaternaria: Cuando una proteína consta de más de una cadena poli peptídica. Estos polipéptidos individuales se unen unos a otros por enlaces de hidrógeno o puentes disulfuro.

Ácidos nucleicos:

Polímeros encargados de la herencia en los seres vivos. Están compuestos por monómeros denominados nucleótidos formados por un grupo fosfato, una ribosa y una base nitrogenada que puede ser: Adenina, Timina, guanina y citosina.

Los ácidos nucleicos son:

-ADN (Ácido Desoxirribonucleico):

Ø  Cadena doble de nucleótidos

Ø  Posee Desoxirribosa como molécula de azúcar

Ø  4 bases nitrogenadas A,T,G,C (Adenina, Timina, Guanina, Citosina)

Ø  Solo está en el núcleo

-ARN (Ácido Ribonucleico):

v  Cadena sencilla de nucleótidos

v  Posee ribosa como molécula de azúcar

v  4 bases nitrogenadas  A,U,G,C ( Adenina, Uracilo, Guanina, Citosina)

v  Está en núcleo y citoplasma.

Lípidos:

Los lípidos son un grupo de sustancias que contienen regiones compuestas casi completamente por H y C.  Son  insolubles en agua o sea  hidrofóbicos y muy solubles en disolventes orgánicos como el éter o el cloroformo. Los monómeros que constituyen a los lípidos son los ácidos grasos.

Entre los lípidos más importantes se hallan los fosfolípidos, componentes mayoritarios de la membrana de la célula. Los fosfolípidos limitan el paso de agua y compuestos hidrosolubles a través de la membrana celular, permitiendo así a la célula mantener un reparto desigual de estas sustancias entre el exterior y el interior.

G.Kard. (s.f.). Biología Celular Molecular. N°2. (6 Edición). En LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA. (págs. (31-63)).