20.3: Los bloques de construcción de la bioquímica

Se ha estimado que incluso un organismo unicelular puede contener hasta 5000 sustancias diferentes, y el cuerpo humano probablemente tenga más de 5 000 000. Sólo unos pocos de estos son exactamente iguales en ambas especies, por lo que el número total de diferentes compuestos en la porción viva de la tierra (la biosfera) es aproximadamente (10 ⁵ compuestos/especie) × 10 ⁶ especies = 10 ¹¹ compuestos. Si fuera posible que los químicos sintetizaran uno de estos cada segundo, las 24 horas del día, los 7 días de la semana, se requerirían alrededor de 3000 años para hacerlos todos, obviamente una tarea desesperada, aunque conociéramos la composición y estructura de cada uno.

Entonces, ¿cómo podemos darle sentido a la química de los sistemas vivos? Afortunadamente, casi todas las sustancias que se encuentran en las células vivas son poliméricas, están construidas por diferentes combinaciones de un número limitado de moléculas relativamente pequeñas. Por ejemplo, las estructuras básicas de todas las proteínas en todos los organismos consisten en cadenas unidas covalentemente que contienen 100 o más residuos de aminoácidos. Solo 20 aminoácidos diferentes se incorporan comúnmente en las proteínas, pero el número de formas de ordenar 100 de estos en una cadena tomando cualquiera de los aminoácidos al azar para cada lugar de la cadena es 20 ¹⁰⁰\(\cong\) 10 ¹³⁰, permitiendo una variedad casi infinita de estructuras. Así como la comprensión de las propiedades de los átomos y sus características de unión fue una ayuda significativa en la predicción de la química de las moléculas, el conocimiento de las propiedades de los bloques de construcción moleculares simples nos da un punto de partida para el estudio de la bioquímica. Cada uno de los bloques de construcción y sus formas poliméricas tienen al menos un papel importante que desempeñar en la química de la vida. La mayoría son bastante versátiles, sirviendo varias funciones. Echemos un vistazo a los componentes básicos de la bioquímica:

Los azúcares, o carbohidratos son moléculas que siguen la forma C _x (H ₂ O) _y. Un azúcar simple puede servir como fuente de energía para un organismo. Los azúcares simples pueden dimerizarse en disacáridos o polimerizarse en polisacáridos. Los usos de los polisacáridos van desde el almacenamiento de energía, como el glucógeno almacenado en el hígado y los músculos, hasta el soporte estructural, como la celulosa que forma las paredes celulares de las plantas.

glucosa, un monosacárido	sacarosa, un disacárido	glucógeno un polisacárido

Los aminoácidos como se mencionó anteriormente son una clase de 20 moléculas que polimerizan para formar proteínas. Las proteínas asumen una gran variedad de papeles, desde catalizar reacciones importantes como enzimas, hasta proporcionar soporte estructural, como el colágeno, hasta servir como señales hormonales o neurotransmisores.

L-alanina, un aminoácido	Una proteína, una variedad de GPF azul, mostrada en forma de barra.	Vista en cinta de la misma proteína.

Los nucleótidos son una clase de molécula biológica ligeramente más compleja, que consiste en un grupo fosfato, un azúcar ribosa o desoxiribiosa y una base nitrogenada. Los nucleótidos, como el ATP, sirven como portadores de energía en una célula y proporcionan energía para ejecutar procesos que de otro modo serían no espontáneos. Los nucleótidos son capaces de polimerizarse en ácidos nucleicos formando un enlace fosfodiéster entre el grupo fosfato de un nucleótido y un grupo hidroxilo en la ribosa o desoxirribosa de otro nucleótido. Los ácidos nucleicos poliméricos son capaces de almacenar información para construir proteínas.

dATP, un nucleótido	B-ADN el polímero y un ácido nucleico.

Los ácidos grasos ya pueden considerarse algo poliméricos, ya que consisten en un ácido carboxílico final seguido de una cadena hidrocarbonada de longitudes variables. Se pueden unir tres ácidos grasos al glicerol para formar triglicéridos. Se pueden agregar otros grupos químicos a los tres grupos hidroxilo del glicerol, produciendo así muchas variaciones químicas, que junto con otras sustancias químicas no polares están incluidas en la categoría paraguas de grasas y lípidos. Las funciones de estos polímeros nuevamente van desde el almacenamiento de energía, hasta la formación de membranas necesarias para estructurar, hasta la señalización.

ácido palmítico, un ácido graso.	Un triacilglicerol.

Las sales se pueden considerar como polímeros cuando se considera la red cristalina iónica. Esto se puede aplicar a estructuras extracelulares como conchas, dientes y huesos. En las células, las sales sirven como iones en solución. Los efectos en esta forma “monomérica” incluyen la señalización de Ca ₂₊, el establecimiento de gradientes electroquímicos para hacer el trabajo o influir en las propiedades osmóticas.

El agua se polimeriza en formación de hielo. Gran parte de esta estructura aún permanece en forma líquida, y las redes de enlaces de hidrógeno aún permanecen. Entonces, no solo el agua proporciona el medio disolvente para todas las reacciones químicas en las células, su estructura dicta la forma en que se pliegan las proteínas y cómo se forman las membranas. También mantiene la rigidez de las paredes celulares, y sirve como termorregulador. En virtud de su gran polaridad, el agua es un buen disolvente para sustancias iónicas y por lo tanto proporciona un medio de transporte de nutrientes inorgánicos como NH ₄ ⁺, NO ₃ ^—, CO ₃ ^2—, PO ₄ ^3—, e iones monoatómicos a lo largo de organismos superiores. Su capacidad para disolver una amplia variedad de sustancias también la hace útil para la disposición de desechos. Muchos de los mecanismos de defensa del cuerpo humano contra sustancias tóxicas externas implican la conversión en formas solubles en agua y la eliminación vía orina.

Una molécula de agua.	La capacidad de enlace de hidrógeno permite la transferencia de protones y confiere elementos estructurales al agua líquida.

Las vitaminas y oligoelementos, aunque no son tan prevalentes como los compuestos químicos discutidos anteriormente, los oligoelementos, como el zinc, el cobre y el hierro, son muy importantes para la función biológica, a menudo sirven para fines estructurales y químicos clave en la función proteica. Las vitaminas son compuestos orgánicos que a menudo aumentan las proteínas para ayudar con las funciones biológicas.

Vitamina B1, también conocida como tiamina. Esta molécula orgánica ayuda con la actividad enzimática del complejo de proteína piruvato deshidrogenasa.

Es claro a partir de esta visión general que tanto las formas monoméricas como poliméricas de los componentes químicos de los productos químicos en los sistemas vivos cumplen funciones importantes. Además, esas funciones cambian dependiendo de qué bloques de construcción se utilicen para la polimerización. Sin embargo, las propiedades de estos polímeros se pueden entender en términos de los monómeros y cómo se combinan.