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La importancia del carbono El estudio de los compuestos que contienen carbono es el dominio de la química orgánica. La química orgánica incluye todas las clases de compuestos que contienen carbono, mientras que la bioquímica se relaciona específicamente con la química de los sistemas vivos y constit...

La importancia del carbono El estudio de los compuestos que contienen carbono es el dominio de la química orgánica. La química orgánica incluye todas las clases de compuestos que contienen carbono, mientras que la bioquímica se relaciona específicamente con la química de los sistemas vivos y constituye una de las diversas corrientes históricas que forman una parte integral de la biología celular moderna. La propiedad más fundamental del átomo de carbono es su valencia de cuatro, lo que significa que el orbital de electrones más externo carece de cuatro de los ocho electrones necesarios para rellenarlo completamente. Ya que un orbital externo completo es necesario para el estado químico más estable del átomo, los átomos de carbono tienden a asociarse entre sí o con átomos carentes de electrones, permitiendo a los átomos adyacentes a compartir un par de electrones. Para cada uno de esos pares, un electrón procede de cada uno de los átomos. Los átomos que comparten electrones entre sí de esta manera se dice que están unidos por un enlace covalente. Los átomos de carbono tienen mucha probabilidad de formar enlaces covalentes entre sí y con átomos de oxígeno (O), hidrógeno (H), nitrógeno (N) y azufre (S). El metano y el etanol son algunos ejemplos simples de estos compuestos que contienen únicamente enlaces sencillos entre los átomos. Algunas veces, dos o incluso tres pares de electrones pueden ser compartidos por los átomos dando lugar a dobles enlaces o triples enlaces. El etileno y el dióxido de carbono son ejemplos de compuestos con dobles enlaces. Encontramos triples enlaces en el nitrógeno (N2) molecular. Las moléculas que contienen carbono son estables Las energías del enlace se expresan normalmente en calorías por mol (cal/mol), siendo una caloría la cantidad energía necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua 1 grado centígrado. El enlace carbono-carbono (C-C) tiene una energía de enlace de 83 kilocalorías por mol (kcal/mol). La energía de enlace de los enlaces carbono- nitrógeno (C-N), carbono-oxígeno (C-O) y carbono- hidrógeno (C-H) está en el mismo rango: 70, 84 y 99 kcal/mol, respectivamente. Se requiere incluso más energía para romper un doble enlace carbono-carbono (146 kcal/mol) o un triple enlace carbono-carbono (212 kcal/mol), por lo que estos compuestos son aún más estables. La mayoría de los enlaces no covalentes presentes en moléculas biológicas importantes tienen energías de sólo unas pocas kilocalorías por mol, y la energía de la vibración térmica es incluso más baja —alrededor de 0,6 kcal/mol—. Los enlaces covalentes tienen una energía mucho más alta que los enlaces no covalentes y por lo tanto son estables. Las moléculas que contienen carbono son diversas Cuando únicamente se usan átomos de hidrógeno para completar los requerimientos de valencia de estas moléculas, lineares o circulares, los compuestos resultantes se denominan hidrocarburos. Los hidrocarburos son muy importantes económicamente ya que la gasolina y otros derivados del petróleo son mezclas de hidrocarburos de cadena corta como es el octano, compuesto de ocho átomos de carbono (C8H18). Por otro lado, los hidrocarburos tienen un papel muy limitado en biología debido a que son esencialmente insolubles en agua, el solvente universal de los sistemas biológicos. Sin embargo, existe una excepción importante a esta regla general: el interior de cada membrana biológica es un medio no acuoso en el que las «colas» de las moléculas de fosfolípidos que se proyectan al interior de la membrana desde cada superficie excluyen al agua y a los compuestos solubles en agua. La mayoría de los compuestos biológicos contienen, además de carbono e hidrógeno, uno o más átomos de oxígeno y a menudo nitrógeno, fósforo o azufre. Estos átomos habitualmente forman parte de varios grupos funcionales que confieren solubilidad en agua y reactividad química a las moléculas que los contienen. Incluso las moléculas de fosfolípidos cuyas colas hidrocarbonadas contribuyen de manera importante a la naturaleza hidrofóbica del interior de las membranas contienen átomos diferentes al hidrógeno y al carbono. Las moléculas que contienen carbono pueden formar estereoisómeros Cuando cuatro átomos o grupos de átomos diferentes están unidos a los cuatro vértices de una estructura tetraédrica son posibles dos configuraciones espaciales. Aunque las dos formas tienen la misma fórmula estructural, no se pueden superponer y son de hecho imágenes especulares. Estas formas de cada compuesto con simetría especular se denominan estereoisómeros. Un átomo de carbono que tiene cuatro sustituyentes diferentes se denomina un átomo de carbono asimétrico. Ya que son posibles dos estereoisómeros por cada átomo asimétrico de carbono. La importancia del agua El atributo más crítico del agua es su polaridad, ya que esta propiedad es responsable de su cohesividad, capacidad para estabilizar la temperatura y sus propiedades como solvente, teniendo todas estas funciones consecuencias importantes para la química biológica. Las moléculas de agua son polares la molécula de agua tiene forma triangular en vez de lineal, con los dos átomos de hidrógeno unidos al oxígeno con un ángulo de 104,5° y no de 180°. Aunque la molécula completa del agua no está cargada, los electrones tienden a distribuirse desigualmente. El átomo de oxígeno en la cabeza de la molécula es electronegativo, es decir, tiende a atraer los electrones hacia él confiriendo carga negativa a ese extremo de la molécula y dejando al otro extremo con una carga parcial positiva alrededor de los átomos de hidrógeno. Esta separación de cargas confiere a la molécula de agua a su polaridad, que podemos definir como la distribución desigual de cargas dentro de la molécula. En el caso del agua, la polaridad de la molécula tiene consecuencias enormes siendo responsable de la cohesión, la capacidad estabilizadora de la temperatura y las propiedades del agua como solvente. Las moléculas de agua son cohesivas Las moléculas de agua, debido a su polaridad, tienen afinidad por ellas mismas y tienden a orientarse espontáneamente de manera que el átomo electronegativo de oxígeno de una molécula se asocia con los átomos electropositivos de hidrógeno de las moléculas adyacentes. Cada una de estas asociaciones se denomina puente de hidrógeno. Cada átomo de oxígeno se puede unir a dos hidrógenos y cada uno de los átomos de hidrógeno se puede asociar de esta forma con los átomos de oxígeno de moléculas adyacentes. Como resultado, el agua se caracteriza por una red tridimensional de moléculas unidas por puentes de hidrógeno. En el hielo la cantidad de fuentes de hidrógeno es aún mayor dando lugar a un entramado cristalino rígido y altamente regular, con cada oxígeno unido mediante puentes de hidrógeno a hidrógenos de dos moléculas adyacentes y cada molécula de agua por lo tanto unida a cuatro moléculas vecinas mediante puentes de hidrógeno. Esa tendencia a formar puentes de hidrógeno entre moléculas adyacentes hace que el agua sea tan altamente cohesiva. Esta cohesión es responsable de que la alta tensión superficial del agua, así como de su elevado punto de ebullición, calor específico y calor de vaporización. La elevada tensión superficial del agua produce su capilaridad que permite al agua moverse en sentido ascendente a través de los tejidos conductores de las plantas y permite a los insectos (como el patinador de agua) moverse por la superficie de una charca sin romper la superficie. El agua tiene una alta capacidad estabilizadora de la temperatura El calor específico elevado es una propiedad importante del agua que confiere al agua su capacidad estabilizadora de la temperatura y que deriva directamente de los puentes de hidrógeno entre moléculas adyacentes. Calor específico es la cantidad de calor que una sustancia debe absorber por gramo, para incrementar su temperatura 1 °C. El agua es un solvente excelente Un solvente es un fluido en el que otra sustancia, denominada soluto, se puede disolver. El agua es un solvente especialmente bueno con fines biológicos debido a su capacidad para disolver una gran variedad de solutos. La polaridad del agua es lo que la hace tan útil como solvente. La mayoría de las moléculas de las células son también polares y por tanto interaccionan electrostáticamente con las moléculas de agua, al igual que lo hacen los iones cargados. Los solutos que tienen afinidad por el agua y por lo tanto se disuelven en ella se denominan hidrofílicos («que tienen afinidad por el agua»). La mayoría de las moléculas orgánicas pequeñas presentes en las células son hidrofílicas; los azúcares, los ácidos orgánicos y algunos aminoácidos son buenos ejemplos. Las moléculas que no son muy solubles en agua se denominan hidrofóbicas («que temen al agua»). Entre los compuestos hidrofóbicos más importantes presentes en las células se encuentran los lípidos y la mayoría de las proteínas que componen las membranas. En general, las moléculas polares tienden a ser hidrofílicas y las moléculas no polares tienden a ser hidrofóbicas. Algunas macromoléculas biológicas, como las proteínas, tienen regiones tanto hidrofílicas como hidrofóbicas, de forma que algunas partes de la molécula tienen afinidad por un medio acuoso, mientras que otras partes de la molécula no la tienen. Las macromoléculas se sintetizan por polimerización gradual de monómeros Aunque la química de las unidades monoméricas y, por tanto, de los polímeros resultantes, difiere bastante entre macromoléculas como proteínas, ácidos nucleicos y polisacáridos, los siguientes principios básicos se aplican en todos los casos: 1. Las macromoléculas son siempre sintetizadas mediante polimerización gradual a partir de pequeñas moléculas semejantes o idénticas denominadas monómeros. 2. La adición de cada unidad monomérica se produce mediante la eliminación de una molécula de agua y por lo tanto se denomina una reacción de condensación. 3. Las unidades monoméricas que se van a unir deben estar presentes como monómeros activados antes de que pueda ocurrir la condensación. 4. La activación implica normalmente el acoplamiento de los monómeros a algún tipo de molécula transportadora para constituir monómeros activados. 5. La energía para acoplar el monómero a la molécula transportadora es cedida por una molécula denominada adenosina trifosfato (ATP) o algún compuesto de alta energía relacionado. 6. Debido a la forma en que se sintetizan las macromoléculas, éstas tienen una direccionalidad inherente que consiste en que los dos extremos de la cadena del polímero son químicamente diferentes. Las chaperonas participan en el ensamblaje de algunas proteínas Bajo condiciones de laboratorio no todas las proteínas adquieren de nuevo su estructura nativa. En base a su trabajo con una proteína (ribulosa bifosfato carboxilasa/oxigenasa, la enzima multimérica de los cloroplastos que cataliza la fijación de CO2 en el proceso de fotosíntesis), John Ellis y sus colaboradores en la Universidad de Warwick concluyeron que el modelo del autoensamblaje, al menos en su formulación más simple, puede no ser adecuado para todas las proteínas. Para procesos más complejos (como el ensamblaje de la ribulosa bifosfato carboxilasa/ oxigenasa a partir de sus 16 subunidades), el control es esencial para producir un número suficiente de estructuras correctas que cubran las necesidades celulares. Este control de los procesos complejos de ensamblaje se lleva a cabo por proteínas preexistentes denominadas chaperonas, que facilitan el ensamblaje correcto de proteínas, y estructuras que contienen proteínas, pero que no son componentes de las propias estructuras ensambladas. El modo de acción de las chaperonas se puede describir óptimamente como el autoensamblaje asistido. Podemos por lo tanto distinguir dos tipos de autoensamblaje: el autoensamblaje estricto, en el que para el plegamiento correcto no son necesarios factores distintos a la propia estructura del polipéptido; y el autoensamblaje asistido, en el que para asegurar que el plegamiento correcto es necesario una chaperona apropiada. Muchas de las chaperonas más comunes se agrupan en dos familias denominadas Hsp60 y Hsp70. A pesar de la importancia de los enlaces covalentes en la química celular, la complejidad de la estructura molecular no se puede describir únicamente en términos de enlaces covalentes. La mayoría de las estructuras de la célula se mantienen unidas por interacciones mucho más débiles, los enlaces e interacciones no covalentes dentro y entre proteínas y otras moléculas. Los enlaces e interacciones no covalentes más importantes en las macromoléculas biológicas son los puentes de hidrógeno, los puentes iónicos, las interacciones de van der Waals y las interacciones hidrofóbicas. Cada una de esas interacciones se introduce aquí pero se discutirán con mayor detalle en el Capítulo 3 (véase Figura 3.5). Como ya hemos indicado, los puentes de hidrógeno implican interacciones atractivas débiles entre un átomo de hidrógeno que está unido covalentemente a un átomo electronegativo y un segundo átomo electronegativo. Los puentes iónicos son interacciones electrostáticas no covalentes entre dos iones cargados opuestamente. En el caso de las macromoléculas éstos son grupos funcionales cargados positiva o negativamente como los grupos amino, carboxilo y fosfato. Las interacciones (o fuerzas) de van der Waals son interacciones atractivas débiles entre dos átomos que se deben a separaciones transitorias de carga (llamada dipolos) en ambos átomos. Estas interacciones se observan únicamente si los átomos están muy próximos y orientados apropiadamente. El término interacciones hidrofóbicas denota la tenencia de grupos no polares dentro de una macromolécula a asociarse entre ellos, minimizando de esta forma su contacto con las moléculas de agua que los rodean y con los grupos hidrofílicos de la misma (o incluso de otra) macromolécula. Cada uno de estos enlaces son interacciones que tienden a mantener unidas partes de una macromolécula, pero cuando los átomos, o los grupos de átomos, se acercan demasiado comienzan a repelerse debido al solapamiento de los orbitales de sus electrones más externos. El radio de van der Waals de un átomo o un grupo funcional hace referencia al «espacio privado» alrededor suyo y establece el límite de cuánto se pueden acercar otros átomos o grupos antes de ser repelidos. Los radios de van der Walls que separan los átomos más comunes en las moléculas biológicas (H, O, N, C, S y P) están en el rango de 0,12 a 0,19 nm. Los radios de van der Walls establecen las bases para los modelos de ocupación del espacio de las macromoléculas biológicas.