BIOQUÍMICA
Nuestro cuerpo se compone de aproximadamente 100 billones de células, y en cada minuto se llevan a cabo miles de reacciones químicas dentro de cada una de ellas. El estudio de estas reacciones químicas y de las sustancias químicas que producen se denomina Bioquímica.
LA CÉLULA
La unidad estructural de todos los seres vivos es la célula. La bioquímica viene a ser la química de los seres vivos y de los procesos vitales.
Todos los tipos de tejidos se componen de células específicas, cuyas funciones son específicas para cada tejido.
Cada célula del ser humano está envuelta por una membrana celular, a través del cual se absorbe nutrientes y se elimina desechos.
En el interior de las células hay diversas estructuras que desempeñan múltiples funciones, en el cual la estructura más grande suele ser el núcleo celular, dentro del cual está contenido el material que regula la herencia. Las mitocondrias son los sitios donde se produce energía. En los ribosomas se produce la síntesis de proteínas.
En las células vegetales se encuentran algunos componentes llamados cloroplastos, que no se encuentran en las células animales. Su importancia radica en que ahí la energía del sol se convierte en energía química, el cual se almacena en la planta en forma de carbohidratos.
LA ENERGÍA EN LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS
La energía es indispensable para la vida. Las células no se disgregan debido a que cuentan con un aporte continuo de energía. Las plantas verdes, por ejemplo, tienen la capacidad excepcional de poder aprovechar la luz solar, cual es la fuente de energía más abundante de nuestro planeta.
La célula vegetal puede convertir las moléculas de carbohidratos en moléculas de grasa, y con determinados nutrimentos inorgánicos, en moléculas de proteína.
En el caso de los animales la situación se torna diferente, ya que no pueden utilizar directamente la energía de la luz solar, por lo que deben obtener su energía comiendo plantas u otros animales que a su vez coman plantas. Los tres tipos de alimentos principales de los cuales los animales obtienen energía son: los carbohidratos, las grasas y las proteínas.
Una molécula de alimento puede utilizarse de una u otra forma: ya sea como unidad de construcción para formar nuevos componentes celulares o para reparar los viejos, o puede quemarse para obtener energía.
*La serie de reacciones químicas coordinadas que mantienen vivas a las células se denomina metabolismo.
Las reacciones metabólicas se dividen en dos clases: Anabolismo, que es el proceso de construir o sintetizar las moléculas de los sistemas vivos y Catabolismo, el cual es la degradación de moléculas para obtener energía.
CARBOHIDRATOS
Se puede definir químicamente a los carbohidratos como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, o compuestos que pueden hidrolizarse(romperse con agua) para dar tales compuestos.
Los Carbohidratos son compuestos de los elementos carbono, hidrógeno y oxígeno. Generalmente, los átomos de estos elementos se encuentran en una proporción expresada con la fórmula Cx(H2O)y. Así por ejemplo la glucosa, que es un azúcar simple que posee la fórmula C6H12O6
, puede escribirse como C6(H2O)6.
Los carbohidratos incluyen a los azúcares, los almidones y la celulosa.
Azúcares simples
Los azúcares son carbohidratos que se caraterizan por tener un sabor dulce. Los más sencillos son los monosacáridos, que son carbohidratos que ya no se pueden subdividir con agua. Entre los monosacáridos más resaltantes podemos mencionar a la glucosa (dextrosa), la fructosa (azúcar de la fruta) y la galactosa (un componente del azúcar de la leche).
Los disacáridos son carbohidratos cuyas moléculas se pueden hidrolizar para producir dos unidades de monosacáridos. Ejemplos de disacáridos son la sacarosa (azúcar de caña) y la lactosa (azúcar de la leche). La sacarosa se divide en glucosa y fructosa. La lactosa en glucosa y galactosa.
POLISACÁRIDOS
Los polisacáridos se componen de moléculas que producen muchas unidades de monosacáridos cuando se hidrolizan.
Entre los polisacáridos se encuentran los almidones, que son el principal sistema de almacenamiento de energía de muchas plantas y la celulosa, que es el material estructural de las plantas.
Los polisacáridos también se denominan carbohidratos complejos. Desde el punto de vista alimenticio, los almidones sirven como alimento y la celulosa como fibra en la dieta.
El almidón y la celulosa son polímeros de la glucosa; ambos se diferencian debido a que las unidades de glucosa están ligadas por enlaces alfa en el almidón, y por enlaces beta en la celulosa.
Las moléculas de almidón generalmente tienen entre 100 y 6000 unidades de glucosa, mientras que las moléculas de celulosa se componen de 1800 a 3000 o más unidades de glucosa.
Los diferentes enlaces producen diversas formas tridimensionales de celulosa y almidón. Por ejemplo, la celulosa de las paredes celulares de las plantas se acomoda en fibrillas, que vienen a ser haces de cadenas paralelas. Las fibrillas al mismo tiempo quedan paralelas entre sí en cada capa de la pared celular, en capas alternadas las fibrillas son perpendiculares, lo que le da gran resistencia a la pared celular.
Existen dos clases de almidón vegetal: la amilosa, que posee las unidades de glucosa unidas en una cadena continua y la amilopectina, que posee cadenas ramificadas de unidades de glucosa.
El almidón animal se denomina glucógeno, cual consta de cadenas ramificadas de unidades de glucosa.
GRASAS
Las grasas son una forma de compuestos denominados lípidos. El lípido es un constituyente celular que es soluble en disolventes orgánicos de baja polaridad como el éter etílico o el hexano, por lo que son insolubles en agua.
En la familia de los lípidos encontramos a los ácidos grasos o ácidos carboxílicos de cadena larga , esterorides como es el colesterol y las hormonas sexuales, las vitaminas solubles en agua, etc.
Las grasas son ésteres de ácidos grasos y el alcohol trihidroxílico glicerol. Una grasa puede contener hasta tres cadenas de ácido graso unidas al glicerol mediante enlaces éster.
Las grasas se clasifican según el número de cadenas de ácido graso que tengan. Así un monoglicérido tiene una sola cadena de ácido graso, un diglicérido contiene dos cadenas de ácido graso, y un triglicérido contiene tres.
Las grasas también se clasifican según el grado de insaturación de los ácidos grasos que las constituyen. Los ácidos grasos saturados no contienen dobles enlaces carbono-carbono. Los ácidos grasos monoinsaturados contienen un doble enlace carbono-carbono por molécula, y los ácidos grasos poliinsaturados tienen dos o más dobles enlaces carbono-carbono.
Las grasas saturadas tienen una proporción alta de ácidos grasos saturados, pero las moléculas de grasa tienen relativamente pocos dobles enlaces.
Los aceites o grasas poliinsaturadas tienen principalmente ácidos grasos insaturados y muchos dobles enlaces.
Los ácidos grasos naturales casi siempre tienen un número par de átomos de carbono. Las grasas animales generalmente son ricas en ácidos grasos saturados, y a temperatura ambiente la mayor parte de las grasas animales son sólidas.
Las grasas líquidas o aceites se obtienen principalemente de fuentes vegetales. A nivel estructural, los aceites son iguales a las grasas, con la diferencia de que incluyen una proporción más alta de unidades de ácido graso insaturadas.
PROTEÍNAS
Las protéinas son componentes vitales de todos los seres vivos. Cualquier parte de un organismo vivo tiene proteínas en cierta proporción. Así, hay proteínas en la sangre, los músculos, el cerebro, etc. Las bacterias, que son los organismos celulares más pequeños, contienen proteínas. Aún los virus, son proteínas y ácidos nucleicos. La combinación de ácidos nucleicos y proteínas se encuentra en todas las células y es la "sustancia" de la vida misma.
Cada tipo de célula fabrica sus propios tipos de proteínas. En los animales, las proteínas funcionan como material estructural, así como la celulosa lo es en las plantas. Por ejemplo, el tejido muscular, la piel, el cabello, la seda, la lana, las uñas, las garras, las plumas, los cuernos y las pezuñas están formados por proteínas.
Los elementos que constituyen las proteínas son el carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, además de que la mayor parte de ellos contienen azufre.
Las proteínas son copolímeros de cerca de 20 aminoácidos diferentes. Los aminoácidos tienen dos grupos funcionales. El grupo amino (-NH2) está en el carbono, el cual se le llama carbono alfa, que está junto al carbono del grupo carboxilo (-COOH).
Los ácidos reaccionan con las bases para formar sales; el grupo carboxilo es ácido y el grupo amino es básico; por lo tanto estos dos grupos funcionales interactúan, y el ácido transfiere un protón a la base. El producto de ellos es una sal interna o ion dipolar, compuesto en el que el anión y el catión forman parte de una misma molécula.
Los aminoácidos se diferencian en la variedad de grupos distintos, cuales se representan por (-R) que pueden unirse al átomo de carbono que tiene el grupo amino.
ENLACE PEPTÍDICO
Las proteínas son poliamidas. El cuerpo humano tiene aproximadamente 30 000 proteínas distintas. El enlace amida (-CONH-) se denomina enlace peptídico cuando une dos unidades de aminoácido.
Cuando sólo se unen dos aminoácidos, se forma un dipéptido. Cuando se combinan tres aminoácidos, la sustancia es un tripéptido. Una molécula con más de 10 unidades de aminoácido se llama polipéptido. Cuando el peso molecular de un polipéptido es mayor de 10 000, se denomina proteína
El extremo de la molécula de proteína que tiene un grupo carboxilo (-COOH) libre se denomina terminal C. El extremo que tiene un grupo amino (-NH2) libre se denomina terminal N.
Para que los péptidos y las proteínas sean fisiológicamente activos no es suficiente con que contengan ciertas cantidades de aminoácidos específicos, ya que el orden o secuencia en que están conectados los aminoácidos también tienen una gran importancia.
ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS
La estructura primaria de una molécula de proteína es su secuencia de aminoácidos. La estructura primaria se mantiene unida por los enlaces peptídicos entre las unidades de aminoácido. Cabe destacar que las moléculas de proteína no se acomodan al azar como hilos individuales, pues las cadenas se mantienen unidas en únicas configuraciones.
La estructura secundaria de una proteína hace referencia a la disposición de las cadenas alrededor de un eje, el cual puede ser de lámina plegada, de hélice u otras.
En la disposición de lámina plegada, las cadenas de proteína existen en forma zigzagueante extendida. Las moléculas se apilan en formaciones extendidas, y las cadenas adyacentes se mantienen unidas por puentes de hidrógeno. Esta estructura y su multitud de puentes de hidrógeno, es la razón del porqué la seda es fuerte y flexible.
Las moléculas de proteína de la lana, el cabello y los músculos contienen grandes segmentos puestos es forma de una hélice o hélice alfa, hacia la derecha. Cada espira de la hélice necesita de 3.6 unidades de aminoácido. Los grupos N-H de una espira forman puentes de hidrógeno con grupos carbonilo (C=O) de la siguiente espira. Estas hélices se enrollan una alrededor de otra en grupos de tres o siete como los hilos de una cuerda.
La estructura terciaria de una proteína hace referencia a las relaciones espaciales de las unidades de aminoácido que se encuentran relativamente alejadas unas de otras en la cadena proteínica. Esta estructura nos da a entender cómo se dobla la molécula. Un ejemplo de esta cadena es el de las proteínas globulares.
Las fuerzas que mantienen a las proteínas en los acomodos estructurales secundario, terciario y cuaternario son cuatro: puentes de hidrógeno, fuerzas iónicas (puentes salinos), enlaces disulfuro covalentes y fuerzas de dispersión. Las fuerzas de dispersión son las únicas que operan entre las cadenas laterales no polares y se denominan interacciones hidrofóbicas.
Varios aminoácidos tienen cadenas laterales que pueden participar en la formación de puentes de hidrógeno, como por ejemplo el grupo hidroxilo de la serina. Los puentes de hidrógeno más importantes son los que implican una interacción entre los átomos de un enlace peptídico y los de otro. Así, el oxígeno del carbonilo (C=O) de un enlace peptídico podría formar un puente de hidrógeno con un hidrógeno amídico (N-H) localizado a cierta distancia en la misma cadena o en una cadena distinta.
Los puentes salinos se forman cuando un aminoácido que tiene una cadena básica está frente a otro que tiene una cadena lateral ácida. La transferencia de protones hace que las cadenas laterales tengan cargas opuestas, lo que hace que se atraigan.
Los enlaces disulfuro se forman cuando se oxidan dos unidades de cisteína, sea de la misma cadena o de cadenas diferentes. El enlace disulfuro es un enlace covalente, y la fuerza de este enlace es mucho más grande que la de un puente de hidrógeno. Sin embargo, el mayor número de puentes de hidrógenos compensa en alguna forma la debilidad individual de los enlaces de puentes de hidrógeno.
Las interacciones hidrofóbicas se fortalecen por la cohesividad de las moléculas de agua que rodean a la proteína. Las cadenas laterales no polares minimizan su exposición al agua juntándose íntimamente en los pliegues interiores de la proteína.
ENZIMAS
Las enzimas son una clase altamente especializada de proteínas, que actúan como catalizadores biológicos, producidos por la célula. Tienen un gran poder catalítico y por lo general son muy específicas, ya que catalizan una sola reacción o un grupo de reacciones muy parecidas entre sí. Cabe destacar que la mayoría de enzimas que se conocen son proteínas.
Las enzimas hacen que las reacciones ocurran a velocidades mucho más altas y a temperaturas más bajas que las reacciones que normalmente ocurrirían.
La enzima reacciona con un compuesto llamado sustrato y se une a éste. Luego este complejo se separa en los productos y en la enzima regenerada.
La acción de las enzimas se parecen a lo que hacen una cerradura y una llave. El sustrato debe encajar con una porción de la enzima llamada sitio activo con gran presición, como las llaves lo hacen en una cerradura para abrirla.
No solamente se necesita que la enzima y el sustrato encajen con gran presición, sino que posiblemente se mantengan unidos por atracción eléctrica. Para ello se requiere que ciertos grupos cargados de la enzima complementen ciertos grupos cargados o parcialmente cargados del sustrato.
La formación de nuevos enlaces entre la enzima y el sustrato debilita otros enlaces dentro del sustrato. Estos enlaces, que están debilitados, pueden romperse más fácilmente para formar productos.
En los procesos catalíticos pueden intervenir otras porciones de la molécula de la enzima, además del sitio activo. Así, una interacción en una posición alejada del sitio activo puede modificar la forma de la enzima y así alterar su efectividad como catalizador, lo cual permite detener la acción catalítica. Una molécula de inhibidor se une a la enzima en una posición alejada del sitio activo donde está unido el sustrato. La enzima cambia de forma al dar cabida al inhibidor y el sustrato ya no puede unirse a la enzima. Éste es uno de los mecanismos que las células usan para apagar las enzimas cuando su trabajo ha terminado.
Como se mencionó, algunas enzimas se componen solamente de cadenas proteínicas. Otras requieren un componente químico adicional para funcionar correctamente, componentes que se les denominan cofactores. Si el cofactor es una sustancia orgánica, se denomina coenzima, pero estos últimos no son proteínicos.
La parte de proteína pura de una enzima se denomina apoenzima; y para que haya actividad enzimática es necesario que estén presentes la apoenzima y la coenzima.
Muchas coenzimas son vitaminas o se derivan de moléculas de vitaminas.
*Cabe destacar que el análisis clínico de enzimas en los líquidos o en los tejidos corporales es una técnica de diagnóstico común en medicina.
ÁCIDOS NUCLEICOS
Todas las células vivas poseen compuestos complejos llamados ácidos nucleicos, los cuales funcionan como centros de información y control de la célula.
Hay dos clases de ácidos nucleicos: Los ácidos desoxirribonucleicos (ADN) y los ácidos ribonucleicos (ARN).
Éstos ácidos nucleicos están formadas por largas cadenas de unidades que se repiten, denominadas nucleótidos. Cada nucleótido consta de tres partes: un azúcar, una base amínica heterocíclica y una unidad de fosfato. El azúcar puede ser ribosa o desoxirribosa. La desoxirribosa difiere de la ribosa en que le falta un átomo de oxígeno en el segundo átomo de carbono. La desoxirribosa se encuentra en el ADN y la ribosa en los ARN. Cuando cualquiera de éstas se incorpora en un ácido nucleico, el grupo hidroxilo del primer átomo de carbono se sustituye por una de cinco bases amínicas heterocíclicas. Las bases que tienen dos anillos fusionados, la adenina y guanina, se clasifican como purinas. La citosina, la timina y el uracilo tienen un sólo anillo, y se llaman pirimidinas.
* Los ADN se encuentran principalmente en el núcleo de la célula y los ARN se encuentran en todas las partes de la célula.
El grupo hidroxilo del quinto carbono de la unidad de azúcar se convierte en un grupo éster fosfórico. El monofosfato de adenosina (AMP) es un nucleótido representativo. En el AMP la base es adenina y el azúcar es ribosa.
Los nucleótidos se unen entre sí a través del grupo fosfato para formar cadenas de ácido nucleico. La unidad de fosfato de un nucleótido forma un enlace éster con el grupo hidroxilo del tercer átomo de carbono de la unidad de azúcar de un segundo nucleótido. Esta unidad se une a su vez a otro nucleótido y el proceso se repite para formar la larga cadena del ácido nucleico. El esqueleto de la cadena consiste en unidades alternadas de fosfato y azúcar.
*Las bases de los ADN son adenina, guanina, citosina y timina. Las bases de los ARN son adenina, guanina, citosina y uracilo.
Los pesos moleculares de los ADN son muy grandes, llegando a los miles de millones como es el caso de los ADN de los mamíferos. Las cuatro bases se pueden acomodar en variaciones prácticamente infinitas a lo largo de estas enormes cadenas. La secuencia de bases es la que permite almacenar la gran cantidad de información que se necesita para construir un organismo viviente.
La doble hélice
James D. Watson y Francis H. C. Crick propusieron el modelo de doble hélice de los ADN en 1953, por el cual obtuvieron el premio Nobel en 1962. Ellos determinaron que un ADN debe estar formado por dos hélices enrolladas una alrededor de la otra.
El esqueleto de fosfato y azúcar de las cadenas poliméricas forma la parte externa de la estructura, parecida a una escalera de caracol. Las aminas heterocíclicas están apareadas en el interior, con una guanina permanentemente enfrente de una citosina y una adenina siempre enfrente de una timina. Si imaginamos una escalera de caracol, los pares de bases vendrían a ser los escalones.
Las bases siempre se aparean exactamente en el patrón A con T y T con A; G con C y C con G debido a los puentes de hidrógeno y un sofisticado diseño molecular.
La estructura Watson-Crick da respuesta a muchas preguntas como la de la capacidad de las células para dividirse y seguir funcionando, el cómo los datos genéticos se transmiten a las nuevas generaciones, y también cómo se construyen las proteínas siguiendo las especificaciones que se requieren, los cuales dependen del apareo de las bases.
Estructura de los ARN
Las moléculas de los ARN están conformados por hilos sencillos del ácido nucleico. En estas moléculas puede haber algo de apareamiento de bases interno o intramolecular en secciones en las que la molécula se repliega sobre sí misma. Algunas partes de la molécula pueden existir en forma de doble hélice.
ADN: AUTORREPLICACIÓN
La mayor parte de los organismos superiores se reproducen sexualmente; así, el espermatozoide del macho se une con un óvulo de la hembra. El huevo estando fertilizado debe llevar toda la información que se requiere para formar las diversas células, tejidos, órganos, es decir, todas las instrucciones que se necesitarán para el crecimiento, funcionamiento y mantenimiento del nuevo individuo.
*Cabe resaltar que para que toda la especie sobreviva, debe haber información en las células germinales para la producción de nuevos individuos.
Cromosomas y genes
El material hereditario se encuentra en los núcleos de todas las células, concentrado en cuerpos filamentosos alargados llamados cromosomas. El número de cromosomas varía según cada especie.
Así tenemos que las células del cuerpo humano tiene 46 cromosomas, y las células germinales tienen la mitad de éstas. En la reproducción sexual, solamente se obtiene un juego completo de cromosomas cuando el óvulo y el espermatozoide se combinan, y un individuo nuevo recibe la mitad de su material hereditario de cada progenitor.
Los cromosomas están hechos de ácidos nucleicos y proteínas. El ácido nucleico de los cromosomas es el ADN, y éste es el material primordial de la herencia. Los genes, que son las unidades básicas de la herencia, están dispuestos a lo largo de los cromosomas.
Cada cromosoma se compone de dos cromátidas unidas en el centrómero. Una cromátida es un hilo de ADN multienrollado y recubierto con proteínas.
Desde el punto de vista estructural, los genes son secciones de la molécula de ADN. Cuando se produce la división celular, cada cromosoma produce un duplicado exacto de sí mismo. La transmisión de la información genética necesita del copiado (replicación) de moléculas de ADN.
Si las dos cadenas de la doble hélice se separan, cada cadena puede guiar la síntesis de una nueva cadena de ADN.
En el fluido celular que rodea al ADN se encuentran todos los nucleótidos necesarios, y la síntesis comienza cuando la base de un nucleótido se aparea con su base complementaria en la cadena de ADN. Cada unidad de base de la cadena ya separada sólo puede capturar una unidad idéntica a aquella con la que estaba apareada antes, y cada una de las cadenas que se separan sirven como patrón para la formación de una nueva cadena complementaria. A medida que los nucleótidos se alinean, las enzimas los conectan para formar el esqueleto de azúcar-fosfato de la nueva cadena; así, cada cadena de la molécula de ADN original forma un duplicado de la antigua cadena, entonces la información que estaba codificada en la doble hélice de ADN original, ahora está en cada uno de los duplicados.
Cuando se produce la división en la célula, cada célula hija obtiene una de las moléculas de ADN y además toda la información con que contaba la célula progenitora.
* Cabe destacar que algunos genes virales sólo contienen ARN.
ARN
La información o programación estructural de los ADN debe transportarse por medio de algo más que el material externo del núcleo celular. En primer lugar se da la transcripción, donde el ADN transfiere su información a una molécula de ARN específica llamada ARN mensajero (ARNm). La secuencia de bases del ADN hace específico la secuencia de bases del ARNm. Así, una Timina en el ADN requiere una Adenina en el ARNm, una Citocina especifica a la Guanina, la Guanina de la Citocina y la Adenina requiere al Uracilo, teniendo en cuenta que en el ARN se emplea Uracilo en lugar de la Timina del ADN. Luego, en la síntesis de proteínas, se da la interpretación del código, que ha sido copiado por el ARNm y la traducción de dicho código en una estructura proteínica. El ARNm viaja desde el núcleo hasta los ribosomas, los cuales están hechos de ácidos nucleicos y proteínas, y se encuentran en el Citoplasma de la célula. El ARNm se une al ribosoma, y ahí el código genético se descifra. Cada ARNm contiene toda la información que se necesita para hacer una proteína específica.
El otro tipo de molécula de ARN se llama ARN de transferencia (ARNt), que se encuentra en el citoplasma de la célula. El ARNt tiene la función de traducir la secuencia específica de bases del ARNm a una secuencia específica de aminoácidos de una proteína.
*Cabe destacar que la función de las proteínas depende del orden de los aminoácidos que las constituyen.
La molécula del ARNt tiene una estructura de lazos que contiene un conjunto crítico de tres bases, llamado terceto de bases, que se aparea con un conjunto de tres bases complementarias en el ARNm. Este terceto determina cuál aminoácido se lleva en la cola del ARNt. Así por ejemplo, el terceto de bases GUA en un segmento de ARNm, llamado codón, se aparea con el terceto de bases CAU, llamado anticodón, de una molécula de ARNt, y las moléculas de ARNt que tienen el anticodón CAU siempre llevan el aminoácido valina.
* Cada paso del proceso de replicación-transcripción-traducción puede traer errores, pues en la replicación cada vez que una célula humana se divide se hace una copia de cuatro mil millones de bases para formar una nueva cadena de ADN. Posiblemente haya 2000 errores cada vez que ocurre una replicación, pero la mayor parte de esos errores se corrigen y otros no son importantes, pero algunos errores tienen consecuencias muy malas como una enfermedad genética o incluso la muerte.
