20.1: Preludio a la Bioquímica

La mayoría de nosotros tenemos pocas dificultades para distinguir los organismos vivos de la materia inanimada. Los primeros son capaces de reproducir copias casi exactas de sí mismos; pueden apropiarse tanto de materia como de energía de su entorno, moviéndose, creciendo y reparando los daños causados por factores externos; y grupos de ellos evolucionan y se adaptan en respuesta a los cambios ambientales a largo plazo. A escala macroscópica las diferencias son suficientemente llamativas como para que los primeros filósofos y científicos postularan la existencia de una fuerza vital sin la cual los organismos vivos serían inanimados. Se pensó que los compuestos orgánicos sólo podían fabricarse en organismos vivos, y sobre esta base se dividió la química en los subcampos de inorgánicos y orgánicos.

Esta subdivisión persiste hoy en día, pero la definición de orgánico ha cambiado en respuesta al descubrimiento de numerosas formas de hacer compuestos orgánicos a partir de materiales de partida inorgánicos. Como se ve en las secciones sobre compuestos orgánicos, la química orgánica ahora significa “química de compuestos que contienen carbono”. No se pone ninguna restricción sobre el origen de los compuestos, y cientos de miles de compuestos orgánicos que son extraños a todos los sistemas vivos se han producido en laboratorios de todo el mundo. En efecto, la preocupación por los efectos de algunas de estas sustancias sintéticas en el medio ambiente ha llevado a otra definición más de orgánico. El público en general ahora lo toma como “libre de sustancias producidas como resultado de las actividades humanas”.

Así como la división entre química orgánica e inorgánica se ha vuelto más arbitraria con el avance del conocimiento, la distinción entre vida y no vida también se ha difuminado. Los organismos vivos están formados por átomos y moléculas que siguen los mismos principios químicos que cualquier otro conjunto de átomos y moléculas. Sin embargo, hay una diferencia: estos átomos, moléculas e incluso grupos de moléculas están organizados en un grado mucho mayor que en cualquiera de los casos que hemos discutido. Por encima de cierto nivel de complejidad, una colección de químicos comienza a exhibir la mayoría de los patrones de comportamiento que asociamos con la vida. Un virus, por ejemplo, puede consistir en menos de 100 moléculas grandes asociadas. Son las estructuras de estas moléculas y las formas en que se asocian las que determinan el comportamiento de un virus y hacen que parezca estar en el umbral de la vida.

La bioquímica es el estudio de los elementos químicos que se encuentran en los sistemas vivos, y cómo estos elementos se combinan para formar moléculas y colecciones de moléculas que llevan a cabo las funciones y comportamientos biológicos que asociamos con la vida. Nuestro tratamiento debe ser necesariamente breve, pero aunque no lo fuera, la complejidad de los sistemas bioquímicos aseguraría que quedaría incompleto. Gran parte de la química moderna, tanto inorgánica como orgánica, implica la extensión a sistemas biológicos complejos de principios y hechos obtenidos de estudios de comportamiento químico más general.

Más del 99 por ciento de los átomos en la mayoría de los organismos vivos son H, O, N o C. Estos son los átomos más pequeños que pueden formar uno, dos, tres y cuatro enlaces covalentes, respectivamente, y son especialmente adecuados para constituir los más de 10 ¹¹ tipos de moléculas diferentes, pero a menudo relacionadas, estimadas en existen en la biosfera. Cada una de esas moléculas tiene una función específica que desempeñar en un organismo específico, y su estructura molecular es muy importante para determinar cómo se lleva a cabo esa función.

Muchas moléculas biológicas se forman por polimerización por condensación a partir de pequeñas moléculas de bloques de construcción. La inversión de tales condensaciones (hidrólisis) descompone de nuevo las moléculas grandes en los bloques de construcción, permitiendo que sean utilizadas por otro organismo. Ejemplos de reacciones de condensación son la formación de lípidos a partir de ácidos grasos y glicerol, la formación de celulosa y almidón a partir de glucosa, la formación de proteínas a partir de aminoácidos y la formación de ácidos nucleicos a partir de ribosa o desoxirribosa, fosfato y bases nitrogenadas.

Los lípidos pueden dividirse en dos categorías: no polares (hidrófobos) y polares (hidrófilos). Ambos tipos consisten en cadenas largas de hidrocarburos, pero los lípidos polares tienen grupos cargados eléctricamente o con enlaces de hidrógeno en un extremo. Las bicapas lipídicas, en las que los extremos hidrófilos de los lípidos polares entran en contacto con una fase acuosa mientras las colas hidrofóbicas se entrelazan, son componentes importantes de las paredes celulares y otras membranas. Las sustancias no polares a menudo se disuelven en las porciones hidrofóbicas del tejido lipídico y pueden concentrarse a lo largo de cadenas alimentarias ecológicas, un proceso denominado bioamplificación.

Los carbohidratos proporcionan un almacén para la energía solar absorbida durante la fotosíntesis. Los azúcares simples suelen contener cinco o seis átomos de C en un anillo y una gran cantidad de grupos OH. Los disacáridos se forman a partir de una reacción de condensación entre dos azúcares simples. Los polisacáridos, como la celulosa y el almidón, son polímeros de condensación de azúcares simples. Sus estructuras y reactividades químicas dependen en gran medida de la estructura exacta del azúcar simple del que se elaboran.

Las proteínas fibrosas, en las que las cadenas polipeptídicas están dispuestas paralelas entre sí, son componentes fundamentales de tejidos estructurales como tendones, pelo, etc. Las proteínas globulares, por otro lado, tienen estructuras compactas, casi esféricas en las que la cadena polipeptídica se pliega sobre sí misma. Enzimas, anticuerpos, hormonas y hemoglobina son ejemplos de proteínas globulares. Las proteínas se elaboran por polimerización de 20 aminoácidos diferentes. El orden de las cadenas laterales de aminoácidos a lo largo de la cadena principal del polímero constituye la estructura proteica primaria La estructura secundaria implica enlaces de hidrógeno para formar estructuras de hélice α o láminas plisadas. El intrincado plegamiento de la cadena polipeptídica en una proteína globular se conoce como estructura terciaria. Algunas proteínas (hemoglobina, por ejemplo) tienen estructura cuaternaria; varias cadenas polipeptídicas están anidadas juntas.

Los ácidos nucleicos, como el ADN y el ARN y formados a partir de bases nitrogenadas, azúcares y fosfato, constituyen un modelo y un mecanismo para sintetizar proteínas útiles. Los codones, cada uno consistente en una secuencia de tres bases nitrogenadas a lo largo de una cadena de polímero de ácido nucleico, indican qué aminoácido va a dónde. El ADN también tiene estructura secundaria, la doble hélice. Cuando las células se dividen, la molécula de ADN bicatenario puede replicarse, y el emparejamiento de bases complementarias asegura que cada nueva célula contendrá ADN idéntico. Durante la síntesis de proteínas, la información se transcribe de ADN a ARNm y luego se traduce del código de ARNm a una proteína. En el proceso de traducción, las moléculas de ARNt unidas a aminoácidos específicos, emparejan su secuencia anticodón con una secuencia de codones en el ARNm. El ribosoma, constituido por ARN y proteína realiza la actividad catalítica de sintetizar la proteína. De esta manera se determina la estructura de la proteína primaria, y las estructuras secundarias y de orden superior siguen directamente.