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BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS
El carbono es un átomo con unas propiedades químicas únicas, que los seres vivos han explotado hasta el extremo. Su particular estructura electrónica le permite formar fácilmente cuatro enlaces covalentes con otros no metales (H, O, N, P, S) e incluso con otros átomos de carbono.
Su alta capacidad combinatoria hace posible la existencia de infinidad de moléculas distintas de las más diversas formas, tamaños y propiedades.
Gracias a la selección natural los seres vivos han «aprendido» a fabricar bajo la supervisión de su ADN todas las moléculas útiles, de cuya interacción resulta cualquier actividad vital, por más extraño que nos pueda parecer.
Las moléculas orgánicas suelen presentar enlaces C-H, decenas o miles de átomos y fuerte tendencia a oxidarse en condiciones atmosféricas con liberación de energía en ocasiones de forma explosiva.
Aunque en otros tiempo se consideraron exclusivas de los seres vivos, Wöhler demostró en 1828que podían sintetizarse en el laboratorio y en la actualidad los astrofísicos han podido demostrar su omnipresencia en el Cosmos.
Pese a su enorme diversidad pueden clasificarse en cuatro grupos muy coherentes, lo que facilita enormemente su estudio:
1.- GLÚCIDOS, AZÚCARES O HIDRATOS DE CARBONO:
Sus moléculas están formadas por C, H, y O.
Los más sencillos son los Monosacáridos, polihidroxialdehidos o polihidroxicetonas de 3 a 7 carbonos en cadena lineal. La presencia del O los convierte en sustancias polares que pueden mezclarse bien con el agua debido a la atracción eléctrica mutua de sus polos, por lo que son hidrófilas o hidrosolubles.
Los más comunes son la D-Glucosa (C6H12O6), una aldohexosa que tiende a formar un anillo hexagonal por reacción de su grupo aldehido con el -OH del carbono 5 y que sirve como principal material de construcción y fuente de energía a cualquier célula. Y la D-Ribosa (C5H10O5) que es una aldopentosa pentagonal fundamental para la construcción de los ácidos nucleicos y del ATP.
Algunos isómeros de estos azúcares como la fructosa, galactosa o la ribulosa son también de gran importancia biológica.
Los disacáridos se forman por unión de dos moléculas de monosacárido con pérdida de una molécula de agua, el enlace covalente resultante llamado O-glucosídico se puede romper por hidrólisis durante la digestión de estas sustancias edulcorantes, entre las que podemos destacar la sacarosa, lactosa, maltosa.
Los oligosacáridos se forman por unión de varias moléculas de monosacárido mediante enlaces O-glucosídicos.
Por unión de centenares o miles de moléculas de glucosa en cadenas lineales o ramificadas, las células producen polisacáridos, más o menos fáciles de hidrolizar como el almidón, el glucógeno (sustancias de reserva de plantas y animales) o la celulosa (material estructural de muchas paredes celulares) que es la sustancia orgánica más abundante en la Biosfera.
Debido a su tamaño y su construcción modular decimos que los polisacáridos son macromoléculas poliméricas.
2.- LIPIDOS:
En sus moléculas encontramos C, H, O y frecuentemente también P.
Por su bajo contenido en O son sustancias apolares de carácter hidrófobo que no se mezclan bien con el agua, Químicamente son diversas pero podemos destacar los ácidos grasos con larga cadena hidrogenocarbonada unida a un grupo ácido carboxílico. Su punto de fusión aumenta con su tamaño y disminuye por la presencia de dobles enlaces o instauraciones.
De la unión de tres moléculas de ácido graso con una de glicerina (trialcohol) se forma una molécula de triglicérido o grasa. Las uniones covalentes formadas por reacción del grupo carboxílico del ácido graso con un grupo alcohol de la glicerina se llaman enlaces éster y al igual que los O-glucosídicos son hidrolizables. La principal función de estas sustancias en al de aislamiento, protección y reserva energética.
De mayor importancia si cabe son las moléculas que resultan de la unión por enlaces éster de dos ácidos grasos, una glicerina, ácido fosfórico y un alcohol ionizado. Estas sustancias llamadas fosfoglicéridos tienen carácter anfipático ya que tienen un extremo polar, afín al agua, y otro apolar, que le huye.
Como consecuencia de esta dualidad, sus moléculas se agrupan y orientan espontáneamente en presencia de agua, formando láminas dobles o bicapas que al cerrarse en el espacio delimitan un pequeño volumen cuyo interior puede independizarse en cierto sentido del exterior.
Este especial comportamiento hace posible la construcción de biomembranas fluidas, donde interactúan con otras proteínas y lípidos anfipáticos controlando el paso de materia, energía e información vital.
Muy distintos químicamente son los esteroides y carotenoides que funcionan como mensajeros (hormonas), pigmentos, fotorreceptores…, en distintos organismos vivos.
3.-PROTEíNAS:
Están construidas con C, H, O, N y S.
Son polímeros lineales de cien o más aminoácidos, y por tanto macromoléculas.
Su hidrólisis o digestión produce una mezcla de veinte aminoácidos distintos, que son utilizados por las células para construir las proteínas que necesitan en cada momento, encadenándolos de forma adecuada gracias a la información contenida en su ADN.
Conviene aclarar que todos los aminoácidos tienen un grupo carboxílico (-COOH) y otro grupo amino (-NH2) y que cuando reaccionan se forma un enlace peptídico resistente pero hidrolizable.
Dependiendo del orden de aminoácidos de la cadena (estructura primaria), se plegaran en el espacio de una forma determinada por interacciones intramoleculares precisas (estructura terciaria) y como consecuencia de este plegamiento podrán realizar determinadas acciones, útiles o no para la célula. La selección natural se encargará automáticamente de reclutar aquellas proteínas que favorezcan una mayor supervivencia en el espacio y el tiempo.
Así pues las distintas proteínas son las responsables de casi toda la actividad celular. Algunas actúan como motores (actina, miosina, tubulina), otras como puertas de paso de moléculas a través de las membranas (permeasas, canales, bombas..), también hay receptores de información (retinal), mensajeros químicos (insulina..), armas defensivas frente a infecciones (anticuerpos), transportadores (hemoglobina) y algunas sirven como material de construcción ( seda, colágeno queratina) o como reserva de materia y energía (albúmina).
Especial mención merecen las enzimas, proteínas biocatalizadoras altamente específicas y eficientes, imprescindibles para el buen funcionamiento metabólico. En su centro activo encajan por complementariedad únicamente ciertos metabolitos (sustrato) que podrán entonces transformarse fácilmente a temperatura ambiente sin interferencias del resto de moléculas presentes. De esta manera reacciones muy lentas a baja temperatura avanzan rápidamente hacia el estado de equilibrio químico.
Resulta vital fabricar las proteínas adecuadas en cada momento y para ello la célula debe disponer de materia (aminoácidos), de energía (ATP) y de la información del ADN, que le permitirá ensamblarlos en el orden adecuado.
4.- ÁCIDOS NUCLEICOS: ARN y ADN.
En su fórmula molecular encontramos C, H, O, N y P.
El descubrimiento de estas sustancias en núcleos aislados de células de pus fue realizado en 1869 por Miescher, que no imaginó su relación con los genes, poco antes descubiertos Mendel, con nulo éxito de difusión.
Tras el descubrimiento en 1944 por el equipo de Avery, del papel del ADN como soporte de la información hereditaria, varios equipos de investigación abordaron su estudio, y antes de diez años quedó resuelta su estructura tridimensional por Watson y Crick, que en 1953 propusieron en su Modelo de la Doble Hélice.
Sabemos en la actualidad que son polímeros lineales de nucleótidos (monómeros formados por unión de fosfato + azúcar + base nitrogenada), unidos por enlaces tipo éster.
Podemos distinguir el ARN (ácido ribonucleico) cuyos nucleótidos contienen ribosa, del ADN (ácido desoxirribonucleico) formado por cadenas de nucleótidos con desoxirribosa.
La hidrólisis o digestión del ARN da lugar a una mezcla de cuatro nucleótidos que se pueden distinguir entre si por la base nitrogenada que contienen (Adenina, Guanina, Citosina o Uracilo).
Sus cadenas simples tienen decenas o centenares de nucleótidos, como consecuencia de interacciones intramoleculares pueden adoptar un plegamiento espacial complejo, y algunas de ellas poseen actividad catalítica (ribozimas), Participan en el proceso de fabricación de las proteínas (traducción), pudiéndose distinguir entre ARNm, ARNr y ARNt.
Según el modelo de la doble hélice, una molécula ADN está formada por dos cadenas lineales desoxirribonucleótidos, complementarias y antiparalelas, unidas por puentes de hidrógeno entre las bases (Adenina-Timina, Guanina-Citosina), enrolladas en hélice dextrógira alrededor de un eje imaginario común, con un grosor constante de 2 Å, un paso de hélice de 34 Å y diez nucleótidos por vuelta.
El número de variaciones en la secuencia de nucleótidos de esta molécula es astronómico (4n), y algunas de ellas que llamamos genes han sido escogidas por la selección natural, por contener las instrucciones precisas de fabricación de proteínas útiles para una mayor supervivencia y reproducción (información genética)
Su estabilidad química y la posibilidad de replicación exacta por complementariedad, la convirtieron en la elección perfecta, de la selección natural, para la conservación y transmisión de la información hereditaria, sin olvidar la generación de nueva información por esporádicos errores de replicación o mutaciones.