Inteligencia y Libertad |
Francisco Capella |
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BIOQUÍMICA |
Inteligencia y CienciaBioquímicaQuímica orgánicaLa química orgánica estudia los compuestos orgánicos que forman parte de los sistemas vivos. El elemento carbono (C) está presente en todos los compuestos orgánicos. Los elementos más comunes de la química orgánica son hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N) y en menor grado fósforo (P) y azufre (S). Otros elementos requeridos por los organismos vivos son: iones esenciales calcio (Ca), cloro (Cl), magnesio (Mg), potasio (K) y sodio (Na); elementos traza presentes en todos los organismos: cobalto (Co), cobre (Cu), hierro (Fe), manganeso (Mn), zinc (Zn); elementos traza presentes en algunos organismos: aluminio (Al), arsénico (As), boro (B), cromo (Cr), flúor (F), galio (Ga), germanio (Ge), yodo (I), molibdeno (Mo), níquel (Ni), selenio (Se), silicio (Si), estaño (Sn), vanadio (V). La gran variedad de los compuestos orgánicos se debe a la capacidad del carbono para enlazarse consigo mismo y con otros elementos formando cadenas cortas o largas, estructuras ramificadas, anillos y combinaciones complejas de estos. El carbono tiene valencia 4, un átomo de carbono puede estar fuertemente enlazado mediante enlace covalentes con otros cuatro átomos. Los enlaces entre átomos de carbono pueden ser sencillos (permiten el giro en torno al eje del enlace), dobles o triples. Los hidrocarburos contienen solamente carbono e hidrógeno. Los hidrocarburos alifáticos incluyen compuestos de cadena recta, de cadenas ramificadas y cíclicos; pueden ser saturados (con enlaces sencillos entre átomos de carbono) o insaturados (poseen algún enlace doble o triple). Los hidrocarburos aromáticos contienen anillos muy estables de átomos de carbono. Los hidrocarburos saturados acíclicos son los alcanos o parafinas: metano, etano, propano, butano, pentano, hexano, etc. Los hidrocarburos no saturados acíclicos son alquenos u olefinas si tienen al menos un enlace doble (eteno o etileno, propeno o propileno, buteno, etc.) y alquinos si tienen al menos un enlace triple (etino o acetileno, butano, etc.). Alcanos y alquenos pueden cerrar su estructura lineal y formar ciclos como en el benceno y demás hidrocarburos aromáticos. Los compuestos orgánicos que no contienen solamente carbono e hidrógeno pueden considerarse como derivados de los hidrocarburos en los cuales se ha sustituido uno o varios átomos de hidrógeno por otros átomos o grupos de átomos. Estos grupos funcionales confieren propiedades químicas características a los compuestos: haluros (con halógenos como flúor, cloro, bromo o yodo), alcoholes (grupo OH), aldehídos y cetonas (grupo carbonilo C=O), ácidos carboxílicos y ésteres (grupo COOH), aminas (grupo NH2), amidas (grupo CONH2), éteres. PolímerosLos polímeros son moléculas grandes formadas encadenando unidades moleculares o monómeros mediante enlaces covalentes. Pueden ser de adición, si sus unidades se juntan directamente, o de condensación, si se pierde una molécula pequeña (agua u otra) cuando se unen dos monómeros. Un monómero es un grupo molecular con dos (bifuncional) o más (polifuncional) lugares de enlace. Hay polímeros lineales (con monómeros bifuncionales) y otros con estructura ramificada (con algunos monómeros polifuncionales). Los homopolímeros contienen una misma unidad básica repetida; los copolímeros contienen dos o más unidades básicas diferentes. La polimerización o formación de polímeros a partir de monómeros es un proceso químico a menudo complejo que puede ser iniciado o mantenido mediante calor, presión o la presencia de catalizadores (una polimerasa es una enzima polimerizadora). Las proteínas son polímeros cuyos monómeros son aminoácidos. Los ácidos nucleicos son polímeros cuyos monómeros son nucleótidos. IsómerosLos isómeros estructurales son compuestos que tienen la misma fórmula molecular (los mismos átomos) pero distinta estructura, difieren en cómo están unidos los átomos. En la estereoisomería (geométrica y óptica) los grupos atómicos son los mismos pero su posición relativa cambia, la orientación espacial es diferente. Los estereoisómeros son importantes en el metabolismo: en muchos casos sólo una de varias formas isoméricas de un compuesto puede participar en reacciones bioquímicas. La isomería geométrica (cis y trans) se da cuando hay al menos un enlace doble entre átomos de carbono u otra característica que confiera rigidez a la molécula. Los isómeros ópticos o enantiómeros (dextro y levo) son imágenes especulares uno del otro, son simétricos respecto a un plano, tienen casi todas sus propiedades físicas y químicas iguales, pero polarizan la luz al revés y no funcionan igual como catalizadores. La isomería óptica se debe a la presencia de al menos un átomo de carbono asimétrico, enlazado a cuatro átomos o grupos diferentes. Muchos catalizadores funcionan mediante una superficie donde enganchan a los reactivos para que puedan acercarse y reaccionar. La forma de la superficie de contacto no es la misma para un compuesto y su enantiómero, son como la mano derecha y la izquierda, cada una ajusta a un guante diferente. BioquímicaLa bioquímica es la química de los procesos biológicos. Los sistemas vivos son agrupaciones complejas de moléculas orgánicas que tienen la propiedad especial de que son capaces de automantenerse y reproducirse: utilizan material y energía de su entorno para restaurar su integridad y producir copias de sí mismos. Los constituyentes básicos de la materia viva son varios compuestos orgánicos: ácidos nucleicos, proteínas, carbohidratos y lípidos. Suelen ser moléculas muy grandes formadas por un pequeño número de diferentes moléculas sencillas. Carbohidratos y lípidosLos carbohidratos se utilizan como fuente de energía (azúcares, almidón), como fuente de carbono para sintetizar otras moléculas orgánicas, y como elemento estructural en células y tejidos (como la celulosa). Son a menudo moléculas muy grandes formadas por unidades sencillas (monosacáridos o azúcares sencillos) ordenadas en cadenas polímeras. La ribosa y la desoxirribosa son azúcares que forman parte de los ácidos nucleicos ARN y ADN respectivamente. Los lípidos están formados por ácidos grasos y se utilizan como fuentes de energía y como elemento estructural de las membranas celulares (junto con algunas proteínas). AminoácidosLos aminoácidos son compuestos orgánicos simples que contienen carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno (la metionina contiene también azufre). Los aminoácidos tienen un grupo amino (NH2), un grupo ácido carboxilo (COOH), un átomo de hidrógeno y una cadena lateral que les diferencia, todos enlazados a un átomo central de carbono (la prolina es levemente diferente, tiene un grupo amina NH que está también enlazado al grupo lateral cerrando un bucle). Hay muchos aminoácidos, pero sólo veinte son utilizados por la mayor parte de las formas de vida conocidas (unos pocos organismos usan también selenocisteína y pirrolisina) para construir proteínas: ácido aspártico (asp), ácido glutámico (glu), alanina (ala), arginina (arg), asparagina (asn), cisterna (cis), fenilanalina (fen), glicina (gli), glutamina (gln), histidina (his), isoleucina (ile), leucina (leu), lisina (lis), metionina (met), prolina (pro), serina (ser), tirosina (tir), treonina (tre), triptófano (trp), valina (val). Más de 100 aminoácidos menos communes aparecen también en sistemas biológicos, especialmente en plantas. Todos los aminoácidos (excepto la glicina) tienen dos estereoisómeros, D o L, en los seres vivos el más común es la forma L. Un enlace peptídico une dos aminoácidos mediante un enlace covalente entre el átomo de carbono del grupo carboxilo de un aminoácido y el átomo de nitrógeno del grupo amino de otro aminoácido, liberándose una molécula de agua. Un péptido es un polímero lineal de condensación compuesto por aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos. Los oligopéptidos son péptidos pequeños con menos de unos diez aminoácidos; los polipéptidos tienen más de diez aminoácidos. Las proteínas son polipéptidos grandes con funciones biológicas importantes. Algunos péptidos incluyen aminoácidos que no aparecen en las proteínas, como algunos isómeros en forma D. Algunos péptidos actúan como hormonas o antibióticos. Algunos péptidos son cíclicos: la secuencia de aminoácidos forma un anillo en vez de una cadena abierta. ProteínasLas proteínas forman la clase más abundante de todas las moléculas biológicas. Una proteína es una molécula grande compuesta por una o más cadenas de aminoácidos en un orden específico determinado por la secuencia de las bases de los nucleótidos en el gen que codifica esa proteína. Las proteínas son polímeros con 20 diferentes aminoácidos como monómeros, unidos por enlaces peptídicos para formar cadenas de polipéptidos, estructuras lineales no ramificadas. Las proteínas tienen muy diversas funciones biológicas: enzimas (catalizadores biológicos reguladores del metabolismo celular), hormonas (mensajeros químicos y reguladores del desarrollo), anticuerpos, transporte de sustancias, nutrientes, toxinas, realización de trabajo mecánico, y soporte estructural. Una proteína monomérica tiene una sola cadena de polipéptidos; una proteína oligomérica está formada por más de una cadena de polipéptidos. Las proteínas simples están compuestas solamente por aminoácidos; las proteínas conjugadas están compuestas por aminoácidos y grupos adicionales orgánicos e inorgánicos (glicoproteínas, que contienen carbohidratos; lipoproteínas, que contienen lípidos; nucleoproteínas, que contienen ácidos nucleicos). Las proteínas tienen estructura a diferentes niveles. La estructura primaria indica la secuencia lineal de aminoácidos que constituye la cadena de polipéptidos. La estructura secundaria resulta de la interacción física entre los aminoácidos vecinos, retorciendo la cadena de polipéptidos y formando una hélice lineal o un patrón en zigzag. La mayoría de las proteínas globulares también tienen estructura terciaria como resultado del plegado extensivo de la cadena que forma una geometría tridimensional compleja. Las proteínas formadas por dos o más cadenas de polipéptidos y que se comportan como una unidad estructural y funcional tienen estructura cuaternaria. Cada molécula de proteína tiene una forma característica. Las proteínas fibrosas están formadas por cadenas de polipéptidos colocadas en paralelo a lo largo de un único eje formando fibras o láminas resistentes. Las proteínas globulares, como muchos de los enzimas conocidos, tienen una forma fuertemente plegada como una esfera o elipsoide. La actividad biológica de la mayoría de las proteínas está relacionada con su estructura tridimensional porque esta determina su capacidad para enlazarse a otras moléculas. Si se altera la estructura de una proteína (cambios de temperatura, acidez o concentración salina) ésta se desnaturaliza, reduciendo o perdiendo su actividad biológica. Una proteína típica es una secuencia de cientos de aminoácidos que se pliega alrededor de un lugar de reacción formado por unas pocas decenas de aminoácidos; su forma le permite reconocer otras moléculas y ensamblarse con ellas. Los cambios en el lugar de reacción tienen un gran efecto sobre las propiedades de la proteína; los cambios en otros sitios tienen poco efecto si no afectan al patrón de plegado. La actuación de una enzima depende de su capacidad para enlazarse de forma selectiva a los reactivos cuya reacción cataliza. El acoplamiento entre una enzima y su sustrato es como el ajuste o encaje entre una cerradura y su llave. La síntesis de proteínas en los ribosomas es la expresión de la información genética del ADN de la célula: la secuencia de bases en el ADN determina la secuencia de aminoácidos en la proteína, la cual determina su forma, propiedades y actividad. Ácidos nucleicosLos ácidos nucleicos ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico) contienen la información genética de un organismo. Los ácidos nucleicos son polinucleótidos, polímeros de condensación cuyos monómeros son nucleótidos. Los nucleótidos están formados por ácido fosfórico (grupo fosfato) y un nucleósido, el cual está formado por un azúcar (ribosa en el ARN, desoxirribosa para el ADN) y una base nitrogenada: adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T) en el ADN; adenina, citosina, guanina y uracilo (U) en el ARN. Adenina y guanina son purinas (estructura de doble anillo); citosina, timina y uracilo son pirimidinas (estructura de anillo simple). El ARN es similar al ADN, pero contiene el azúcar ribosa en lugar de desoxirribosa y la base uracilo en lugar de timina. El grupo fosfato y el azúcar encadenan los nucleótidos y forman la columna vertebral del ácido nucleico. La información genética está contenida en la secuencia de bases. Todas las secuencias que resultan de combinaciones de A, C, T y G (A, C, T y U en ARN) son igualmente estables químicamente. Los ácidos nucleicos son como cristales aperiódicos, con una estructura repetitiva rellenada con elementos variables. El ARN es una cadena polar (con un sentido marcado, el comienzo y el final son distinguibles) sencilla. El ADN es una cadena doble cuyas propiedades físicas y químicas lo hacen adecuado para almacenamiento, replicación y transferencia de información. Los dos filamentos antiparalelos (polaridad opuesta) del ADN se mantienen unidos con forma de doble hélice (espiral doble o escalera de caracol) mediante enlaces débiles de hidrógeno entre pares de bases de los nucleótidos, siempre adenina con timina y citosina con guanina (emparejamiento homólogo): los dos filamentos son complementarios, la secuencia de uno determina la secuencia del otro. La complementariedad asegura que el ADN puede ser replicado fácilmente y con exactitud, de modo que copias idénticas pueden ser realizadas y transmitidas a la siguiente generación. Durante la división de la célula los dos filamentos de la molécula de ADN se separan como una cremallera, dando lugar a dos cadenas simples complementarias que sirven de plantillas sobre las cuales van acoplándose los nucleótidos adecuados hasta obtener dos copias idénticas a la molécula inicial. El ADN es la molécula autorreplicante universal en la Tierra. Dada su complejidad es improbable que el ADN fuera la primera molécula auto replicante. Probablemente ha evolucionado de otras predecesoras y ha tenido tanto éxito que ninguna otra molécula autorreplicante (salvo el ARN) ha sobrevivido. El ADN es más adecuado que el ARN para almacenamiento y reproducción de información: la complementariedad hace posible la corrección de errores y los genomas más largos. Síntesis de proteínasEl ADN (mensaje, información), en interacción con su entorno (descodificador), y con ayuda de enzimas especiales, controla la producción de proteínas: los aminoácidos se ensamblan según el orden que indica la secuencia de bases del gen que contiene la información para construir la proteína. Los ribosomas en el citoplasma celular son la maquinaria responsable de sintetizar proteínas. La información genética de los cromosomas (ADN) es transportada a los ribosomas por ARN mensajero (mARN), el cual es producido mediante un proceso de transcripción: los dos filamentos de ADN que constituyen un gen se separan y uno de ellos se utiliza como plantilla para construir mARN como una cadena complementaria. Los ribosomas están compuestos por proteínas y ARN ribosómico (rARN). Cada ribosoma sintetiza una cadena de polipéptido. Un polirribosoma o polisoma es un cúmulo de mARN y ribosomas: varios ribosomas se asocian a un único mARN de modo que se sintetizan muchas moléculas de una proteína con un mismo mARN. La secuencia de bases del mARN se traduce a la secuencia de aminoácidos de una proteína por el ARN de transferencia (tARN), moléculas adaptadoras que asocian un triplete de bases (codón) con un aminoácido: un extremo del tARN se enlaza a un aminoácido específico y el otro extremo es un anticodón (codón complementario) que se une a un codón del mARN. Comenzando por un extremo de la cadena de mARN, cuando cada tARN concreto se enlaza con su sitio complementario del mARN, su aminoácido se añade a la cadena de proteína en construcción. Algunos codones no especifican un aminoácido sino que actúan como señal de parada que indica que la proteína está completa y puede ser liberada del ribosoma. Código genéticoEl código genético es la correspondencia entre codones (tripletes de bases) y aminoácidos. No es una correspondencia biunívoca. Hay 64 codones posibles (4x4x4, cuatro bases tomadas de tres en tres) y solamente 20 aminoácidos. El código es degenerado: algunos aminoácidos son codificados por varios codones. Algunos codones no representan aminoácidos sino que codifican la terminación de una cadena de polipéptidos. Un codón representa un aminoácido (metionina) o el comienzo de una proteína según las circunstancias. El código es universal para todos los organismos vivos, con unas pocas variantes menores en algunas mitocondrias y microbios.
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