Argumento Y Actores: Vida, Átomos Y Moléculas PDF

02 Capitulo 02 8/4/05 09:37 Página 19 ARGUMENTO Y ACTORES: VIDA, ÁTOMOS Y MOLÉCULAS 2 Uno de los atributos que caracterizan a la materia viva, es...

02 Capitulo 02 8/4/05 09:37 Página 19 ARGUMENTO Y ACTORES: VIDA, ÁTOMOS Y MOLÉCULAS 2 Uno de los atributos que caracterizan a la materia viva, es 3. Oligoelementos o bioelementos traza: Mn, I, Cu, Co, decir, a la vida, es la capacidad de constante renovación de una Cr, Zn, F, Mo, Se y otros. Aunque aparecen sólo en trazas o estructura muy bien ordenada. Los organismos vivos poseen en cantidades ínfimas, su presencia es esencial para el un perfecto orden molecular muy complejo, que se encuentra correcto funcionamiento del organismo. Su ausencia deter- en continua creación y que es transmitido a sus descendientes. mina la aparición de enfermedades carenciales, o síntomas Estos procesos de creación y transmisión de orden se realizan de déficit, que se definirán en el siguiente apartado. en un entorno caótico o muy poco ordenado. La creación de Otro criterio de clasificación de los bioelementos es la orden y complejidad en la materia debe ser compensada con función que desempeñan en el organismo. Así, se pueden un aporte continuo de energía, con lo que no se contraviene el establecer diferentes grupos, con distintas funciones: segundo principio de la Termodinámica. Otro de los atributos fundamentales de la materia viva es 1. Plástica o estructural: H, O, C, N, P, S. Colaboran en su capacidad de autorreproducción. La información que des- el mantenimiento de la estructura del organismo. cribe la estructura de un organismo se transfiere de una gene- 2. Esquelética: Ca, Mg, P, F, Si. Confieren rigidez. ración a la siguiente y, de esta forma, la vida puede perpe- 3. Energética: C, O, H, P. Forman parte de las moléculas tuarse. energéticas. Para describir y estudiar este fascinante fenómeno de la 4. Catalítica: Fe, Mn, I, Cu, Co, Zn, Mo, Se. Forman vida, se han de considerar las reacciones y transformaciones parte de las enzimas, que catalizan reacciones y pro- químicas que la hacen posible. En estos procesos del de- cesos bioquímicos. sarrollo del argumento de la vida, los actores básicos son los 5. Osmótica y electrolítica: Na+, K+ y Cl–, principalmen- átomos y las moléculas que forman parte de los seres vivos y te. Mantienen y regulan los fenómenos osmóticos y de constituyen los denominados bioelementos y biomoléculas. potencial químico y electrónico. Como la Bioquímica pretende estudiar y explicar la vida 2.1 BIOELEMENTOS desde el punto de vista molecular, el conocimiento de las biomoléculas o moléculas de los seres vivos es un punto de Debido al origen evolutivo común de la materia viva, su quí- partida necesario, ya que la vida se nos presenta como el mica es similar en toda la escala filogenética. En la compo- resultado de las propiedades e interacciones de tales biomo- sición de los seres vivos aparecen una veintena de elementos léculas. químicos que son esenciales para el desarrollo de la vida. A En el origen, el universo estaba formado fundamental- estos elementos químicos que constituyen los seres vivos se mente por hidrógeno y helio. Durante millones de años se les denomina bioelementos. También reciben el nombre de produjeron reacciones termonucleares que condujeron a la elementos biogénicos o biogenésicos. Se pueden clasificar, aparición de los otros elementos químicos más pesados. según su abundancia, en tres grandes grupos: Estos elementos se distribuyeron por todo el universo, dando 1. Bioelementos primarios: H, O, C, N. Son los más lugar, con el paso del tiempo, a la composición química abundantes. Representan un 99.3% del total de átomos del actual de la materia. Los elementos más abundantes en la cuerpo humano. Con diferencia, el hidrógeno es el más actualidad siguen siendo hidrógeno y helio, y a continua- importante, junto con el oxígeno, ya que ambos forman parte ción, oxígeno, neón, carbono y nitrógeno. de la biomolécula más abundante de los organismos, el agua. Hace unos 5000 millones de años, posiblemente, apare- 2. Bioelementos secundarios: Ca, P, K, S, Na, Cl, Mg, Fe. cieron sobre la Tierra las primeras formas primitivas de vida. Constituyen prácticamente el 0.7% del total de átomos del Desde entonces, el proceso evolutivo ha transcurrido hasta cuerpo humano. alcanzar el grado actual de diversidad y diferenciación, lo 02 Capitulo 02 8/4/05 09:37 Página 20 20 | El escenario bioquímico que ha significado un alto grado de adaptación y selección. 2.1.1 Enfermedades carenciales Es interesante saber que aunque se conocen más de 100 ele- Es lógico que la deficiencia de cualquiera de los bioelemen- mentos químicos diferentes, en la corteza terrestre son ocho tos encuadrados en los grupos primario y secundario, deter- los más abundantes en cuanto a número de átomos, repre- mine alteraciones patológicas importantes en el organismo sentando más del 98% de los átomos totales (O, Si, Al, Fe, humano. Un ejemplo típico es el de la anemia producida por Ca, Na, K, Mg). carencia o deficiencia de Fe. Por otra parte, si consideramos la abundancia relativa de Sin embargo, se podría pensar que el déficit de alguno los átomos que actualmente constituyen las biomoléculas, en de los oligoelementos no debería representar un problema concreto las del ser humano, nos encontramos con que sólo importante, dada la mínima cantidad de estos oligoelemen- cuatro elementos representan más del 99% de todos los áto- tos que el organismo necesita. Nada más lejos de la realidad, mos (H, O, C, N). Es un hecho llamativo que ninguno de ya que la expresión enfermedad carencial adquiere verdade- ellos, excepto el oxígeno, se encuentre entre los ocho ele- ra importancia en lo que se refiere a estos elementos, debi- mentos más abundantes en la corteza terrestre. do a la importancia de su función. En la Tabla 2-1 se pueden ¿Por qué han sido precisamente estos cuatro elementos observar algunas disfunciones producidas por la escasez o los que han conformado las biomoléculas? De su pequeño ausencia de estos elementos (Recuadro 2-1). tamaño y de su estructura electrónica, se pueden deducir las siguientes posibilidades: 2.2 BIOMOLÉCULAS 1. La facilidad de formar enlaces covalentes entre ellos, compartiendo electrones. Estos enlaces son muy esta- Análogamente a lo que ocurre con los bioelementos, las bio- bles, ya que su fuerza es inversamente proporcional a moléculas son las moléculas constituyentes de los seres la masa de los átomos unidos. vivos. Atendiendo a su naturaleza química, las biomoléculas 2. La disponibilidad de los átomos de carbono para la se pueden clasificar en dos grandes grupos: formación de esqueletos carbonados tridimensionales (ejemplo del carbono tetraédrico). 1. Biomoléculas inorgánicas: agua (la biomolécula más 3. El que se favorezca la multiplicidad de enlaces abundante), gases (oxígeno, dióxido de carbono), (dobles y triples) entre algunos de esos átomos, así sales inorgánicas (aniones, como fosfato y bicarbona- como la formación de enlaces que facilitan a su vez la to, y cationes, como amonio). formación de estructuras lineales, ramificadas, cícli- 2. Biomoléculas orgánicas: glúcidos (como glucosa o cas, heterocíclicas, etcétera. glucógeno), lípidos (como triglicéridos o colesterol), 4. El hecho de que, con muy pocos elementos, se puede proteínas (como la hemoglobina o las enzimas), áci- dar lugar a una gran variedad de grupos funcionales, dos nucleicos (como ADN [ácido desoxirribonuclei- que confieren propiedades características a las dife- co] o ARN [ácido ribonucleico]), metabolitos (como rentes biomoléculas. ácido pirúvico o ácido láctico), etcétera. Tabla 2-1. Oligoelementos y alteraciones carenciales Cinc Retraso del crecimiento, diarrea, alopecia, dermatitis, disfunción inmunitaria, espermatogénesis defectuosa. Cobalto Anemia, retraso en el crecimiento. Cobre Anemia, defectos esqueléticos, desmielinización, degeneración del sistema nervioso, lesiones cardiovasculares, hipopigmentación. Cromo Trastornos en la tolerancia a la glucosa, encefalopatías, neuropatías. Flúor Caries, alteraciones en la estructura ósea. Manganeso Retraso del crecimiento, defectos en la coagulación, dermatitis. Molibdeno Síntomas similares al bocio. Selenio Miocardiopatías, disfunción muscular. Yodo Bocio (Recuadro 2-1). 02 Capitulo 02 8/4/05 09:37 Página 21 Argumento y actores: vida, átomos y moléculas | 21 Recuadro 2-1. señalaba, ya en 1927, que «el bocio es un bociógenas las plantas del género BOCIO problema de civilización, y su remedio, Brassica (col, coliflor, rábanos, coles de caminos». En España, esta enfermedad Bruselas) o las nueces. Se denomina bocio al aumento de volu- presentó una alta prevalencia en zonas El bocio está epidemiológicamente men de la glándula tiroides (tiroidomega- aisladas y deprimidas económicamente, asociado con el cretinismo y ciertas for- lia). La glándula tiroides suele pesar unos como Las Hurdes (Extremadura). mas de sordomudez y de deficiencia 20-30 g, pero en casos de bocio puede lle- Las necesidades diarias de yodo se mental. Las formas más graves son las gar a alcanzar hasta 1 kg. De diferentes cifran en 100-150 mg, que se aportan que comienzan durante el desarrollo causas, bocio vascular, enfermedad de por los alimentos de la dieta. Con carác- fetal, por lo que el déficit de yodo es Graves, etcétera, la más frecuente es oca- ter preventivo, se pueden suplementar peligroso en mujeres en edad fecunda. sionada por una captación insuficiente con yodo ciertos alimentos de consumo En algunas ocasiones, un exceso de del yodo en la dieta. Aunque puede apa- general, como pan y aceite, pero lo más yodo puede originar la existencia de un recer en cualquier localización, es endé- generalizado es la utilización de sal bocio endémico. Es el caso de la isla de mico en las zonas geográficas montaño- yodada en la dieta. Además de la esca- Hokkaido, en el archipiélago japonés. sas (Andes, Himalaya) donde el escaso sez de yodo en la alimentación, se han Un excesivo consumo de yodo bloquea aporte de yodo tiene su origen en el pre- descrito ciertos elementos cuya presen- la liberación de las hormonas tiroideas y dominio de determinados cultivos, las cia dificulta la correcta captación del la organificación del elemento. En otras propiedades químicas del suelo o la difi- yodo por el tiroides. Son las denomina- situaciones, la administración de ciertos cultad de las comunicaciones, que impi- das sustancias o elementos bociógenos. medicamentos (sulfonilureas, ácido den diversificar el origen de los alimen- Entre ellos se encuentran el calcio, el paraaminosalicílico, etc.) puede produ- tos. A este respecto, el Dr. Marañón litio, el flúor y el cobalto; asimismo, son cir bocio (iatrogénico). Según la especialización de cada tejido, existe una dife- cos para alcanzar el estado de mayor estabilidad electrónica rente distribución celular cualitativa y cuantitativa de las bio- (cumpliendo la ley del octete, es decir, la existencia de ocho moléculas, aunque, en general, la más abundante es el agua, electrones en su última capa). Ello determina que los átomos seguida de las proteínas. implicados se conviertan en iones de signo contrario por lo Las biomoléculas de los seres vivos se caracterizan por su que sufren entre sí una atracción mutua de naturaleza elec- no gratuidad, es decir, por poseer siempre una función cuya trostática. Ejemplos típicos son los enlaces que se establecen naturaleza puede ser diversa: estructural, catalítica, de trans- entre los metales alcalinos o alcalinotérreos y los halógenos. porte, de defensa, señalizadora, de almacenamiento energéti- Así, en el NaCl, el ion negativo o anión Cl– se une por enla- co, entre otras. Su gran diversidad interespecie (en el caso de ce iónico con el ion positivo o catión Na+. las proteínas y los ácidos nucleicos) se puede lograr a partir de El enlace covalente se establece entre átomos que com- unas pocas unidades estructurales elementales diferentes, o parten electrones de sus orbitales periféricos, para alcanzar el sillares: veinte aminoácidos en las proteínas y cinco nucleóti- estado de mayor estabilidad electrónica. Este tipo de enlace dos en los ácidos nucleicos. Ello contrasta con la gran simili- es el más frecuente en las biomoléculas y es más fuerte y tud molecular intraespecie. Las propiedades de las biomolécu- resistente que el enlace iónico. las condicionan sus interacciones, lo que, en conjunto, da lugar Como se ha mencionado anteriormente, una de las razo- a las características de los seres vivos: autoensamblaje de las nes que han determinado que H, O, N y C sean los bioele- estructuras moleculares (organización), funciones característi- mentos primarios y representen más del 99% del total de áto- cas propias, uso de la energía y autorreplicación. mos en el ser humano, es su capacidad para establecer enlaces covalentes. El hidrógeno es capaz de establecer un enlace covalente; el oxígeno puede formar dos; tres, el nitró- 2.2.1 Enlaces químicos en las biomoléculas geno y cuatro, el carbono. Además, al tratarse de átomos Las fuerzas que mantienen unidos a los átomos para consti- pequeños, la fuerza de los enlaces en los que participan es tuir las biomoléculas reciben el nombre de enlaces químicos. elevada. Los dos tipos de enlace químico utilizados son el enlace ióni- Estos bioelementos pueden establecer, además de enlaces co o electrovalente y el enlace covalente. covalentes sencillos, otros enlaces dobles y triples, depen- El enlace iónico o electrovalente se establece entre áto- diendo del número de electrones que se comparten en cada mos que ceden o aceptan electrones en sus orbitales periféri- enlace. Mención especial merece el átomo de carbono que 02 Capitulo 02 8/4/05 09:37 Página 22 22 | El escenario bioquímico debido a su estructura electrónica (hibridación sp3) y la con- ellos, el grupo hidroxilo (R—OH) es típico de los alcoholes comitante disposición tetraédrica de los enlaces, constituye y glúcidos; el grupo carbonilo, característico de los aldehídos la base estructural tridimensional de los compuestos carbo- (R—CHO) y las cetonas (R—CO—R’), aparece en los glú- nados y, por tanto, de la gran mayoría de las biomoléculas cidos; el grupo carboxilo (R—COOH), característico de los (Véase la Fig. 5-1). ácidos, se encuentra en los aminoácidos, las proteínas y los ácidos grasos; el grupo amino (R—NH2) aparece en los aminoácidos y las proteínas (Recuadro 2-2). 2.2.2 Grupos funcionales Los átomos de carbono se enlazan entre sí por enlace cova- 2.2.3 Interacciones moleculares no covalentes lente, originando cadenas lineales, ramificadas o estructuras circulares. En ellas, los átomos de carbono también estable- Aunque los enlaces covalentes son fundamentales para la cen enlaces covalentes sencillos con átomos de hidrógeno. A existencia de las biomoléculas, se necesita la existencia de estas moléculas se les conoce con el nombre genérico de otros tipos de fuerzas, mucho más débiles, para la existen- hidrocarburos. cia de la vida. Estas interacciones no covalentes, que se A esas estructuras carbonadas se les puede añadir otros pueden establecer entre iones, moléculas y partes de molé- átomos o grupos de átomos que les confieren propiedades culas, están implicadas en el mantenimiento de las estruc- químicas específicas y que reciben el nombre de grupos fun- turas tridimensionales de las biomoléculas. En la debilidad cionales. El grupo funcional es el responsable del comporta- de la fuerza de estas interacciones radica su importancia, miento físico y químico característico de cada tipo de bio- puesto que permiten la continua formación y rotura de molécula. estos enlaces, permitiendo la plasticidad, lo que es un En la Tabla 2-2 se recogen algunos de los grupos funcio- requisito necesario para el desarrollo de los procesos vita- nales más importantes presentes en las biomoléculas. Entre les. Tabla 2-2. Grupos funcionales más frecuentes en las biomoléculas. La naturaleza del grupo funcional determina las propiedades del compuesto en el que se encuentra Compuestos Estructura del grupo Nombre de grupo Alcoholes R—OH Hidroxilo O — — Aldehídos Carbonilo R—C—H O Cetonas Carbonilo — — R—C—R′ O Ácidos carboxílicos Carboxilo — — R—C—OH Aminas R—NH2 Amino O — — Amidas Amido R—C—NH2 Tioles o mercaptanos R—SH Tiol o mercapto O — — Ésteres Éster R—C—O—R′ 02 Capitulo 02 8/4/05 09:37 Página 23 Argumento y actores: vida, átomos y moléculas | 23 Recuadro 2-2. donar sus electrones, se oxida, mientras desplazados hacia el átomo de C. Esto ESTADO DE OXIDACIÓN que el oxidante, al aceptar electrones, se es lo que ocurre en el grupo metilo ter- DEL CARBONO EN reduce. minal de los alcanos (—CH3). En el LAS BIOMOLÉCULAS Puesto que el átomo de carbono es caso de un enlace C—O, el átomo de fundamental en la estructura de las oxígeno es más electronegativo que el La gran mayoría de los procesos bioquí- biomoléculas orgánicas, es interesante de carbono, por lo que los electrones micos que tienen lugar en las células conocer su estado de oxidación en los se encuentran más desplazados hacia pueden ser englobados en uno de los distintos grupos funcionales. Cuando el oxígeno. Ello supone que en una siguientes tipos de reacciones químicas: dos átomos que comparten electrones transformación de alcano a alcohol sustitución nucleofílica, eliminación, en un enlace covalente presentan dife- (—CH2—OH) el carbono pierde elec- adición, isomerización y oxidación- rentes afinidades electrónicas, los trones y sufre una oxidación. Al reducción. electrones del enlace presentan mayor aumentar el número de electrones Las reacciones de oxidación-reduc- tendencia a encontrarse en el entorno compartidos con el oxígeno, el carbo- ción se producen por transferencia de del átomo más electronegativo. Así en no pierde más electrones y aumenta su electrones desde un donador (compues- los enlaces C—H, el átomo de carbono estado de oxidación. Así, el estado de to reductor) a un aceptor (compuesto es más electronegativo y, por tanto, los oxidación del carbono aumenta en el oxidante). El compuesto reductor, al electrones del enlace se encuentran siguiente orden: alcano (—CH2—CH3), alcohol (—CH2—CH2—OH), aldehído (—CH2 —C — — O), | H — — — ácido carboxílico (—CH2—C — O) y dióxido de carbono (O — C — O) | OH Como norma general, se produce gana oxígeno o pierde hidrógeno y se molécula pierde oxígeno o gana hidró- una oxidación cuando una molécula produce una reducción, cuando una geno. Entre estas interacciones moleculares destacan: nicas de las moléculas. Sin embargo, existe una distancia (radio de van der Waals) que es la más cercana a la que se Fuerzas electrostáticas o interacciones carga-carga. Se pueden situar las moléculas. Para distancias menores, las establecen entre átomos o grupos de átomos cargados (anio- fuerzas de repulsión electrónica impiden el acercamiento de nes y cationes). Las fuerzas electrostáticas se rigen por la las moléculas. Ley de Coulomb y la intensidad de las mismas depende del Interacciones hidrofóbicas. En un medio acuoso, las molé- medio en el que se encuentren (expresado por la constante culas apolares o hidrofóbicas son repelidas por las moléculas dieléctrica). de agua, por lo que tienden a agruparse, interaccionando unas Fuerzas polares o interacciones entre dipolos. Se produ- con otras. cen entre moléculas que carecen de carga neta pero presentan Enlaces por puente de hidrógeno. Se trata de una inter- una distribución interna asimétrica de la carga. Estas molé- acción entre un átomo de hidrógeno unido covalentemente a culas tienen naturaleza polar y se les denomina dipolos eléc- un átomo electronegativo de pequeño tamaño (O, N, F) y tricos. Se trata de fuerzas más débiles que las electrostáticas otro átomo electronegativo con un par de electrones libres. y tienen un alcance inferior. Un dipolo puede ser atraído por A mayor electronegatividad del átomo unido al hidrógeno, un ion próximo (interacción carga-dipolo) o por otro dipolo con mayor polaridad positiva queda el hidrógeno y, por (interacción dipolo-dipolo entre los polos opuestos). tanto, con mayor fuerza es atraído por los pares electrónicos Fuerzas de van der Waals o fuerzas de dispersión. Se libres del átomo electronegativo de la otra molécula. El trata de fuerzas atractivas de muy corto alcance originadas enlace por puente de hidrógeno es el tipo de interacción no por la sincronización de la fluctuación de las cargas electró- covalente más fuerte. 02 Capitulo 02 8/4/05 09:37 Página 24 24 | El escenario bioquímico 2.2.4 Grado de complejidad Además de los apartados precedentes se puede citar un nivel superior de complejidad: el de las supramacromolé- En grado creciente de complejidad, las moléculas se pueden culas (106-109 Da). Si las biomoléculas se caracterizaban clasificar en: por tener enlaces constitutivos cuya naturaleza es siempre 1. Precursores, con un peso molecular inferior a 50 Da, covalente, en las supramacromoléculas los distintos com- como el H2O, el CO2 o el NH3. ponentes individuales se integran mediante interacciones 2. Intermedios metabólicos, con un peso molecular de 50- no covalentes de tipo iónico, hidrófobo, de van der Waals, 200 Da, como son el piruvato, el oxalacetato o el citrato. etcétera. Ejemplos típicos pueden ser los ribosomas (ARN 3. Unidades estructurales (100-300 Da) o unidades constitu- y proteínas), la cromatina (ADN y proteínas) o las mem- tivas de las macromoléculas, entre las que destacan los branas (lípidos y proteínas). monosacáridos (en los polisacáridos), los aminoácidos (en Tanto las macromoléculas como las supramacromolécu- las proteínas), los nucleótidos (en los ácidos nucleicos), el las suelen presentar varias posibilidades de disposición glicerol y los ácidos grasos (en las grasas), etcétera. estructural y su actividad biológica suele coincidir con la 4. Macromoléculas (103-106 Da), como los polisacári- forma nativa que, a su vez, es la que presenta una mayor dos, proteínas, ácidos nucleicos, grasas, etcétera. estabilidad termodinámica.