Algunos elementos químicos son más "adecuados" que otros para la construcción de las moléculas de los organismos vivos.
Solamente 22 de los 100 elementos químicos hallados en la corteza terrestre son componentes esenciales de los organismos vivos. Además, la distribución de estos elementos químicos en los organismos vivos no está en la misma proporción con que existen en la corteza terrestre.
Los cuatro elementos más abundantes en la corteza terrestre son el oxígeno, el silicio, el aluminio y el hierro, en contraste, los cuatro elementos más abundantes en los organismos vivos son el oxígeno, el carbono, el hidrógeno y el nitrógeno; constituyen alrededor del 99% de la masa de muchas células.
Podemos, por tanto, dar por sentado que los compuestos de estos elementos poseen una adecuación molecular única para los procesos que constituyen colectivamente el estado vivo.
El carbono, el hidrógeno, el nitrógeno y el oxígeno poseen una propiedad común: forman con facilidad enlaces covalentes mediante reparto de pares de electrones. Para completar sus capas electrónicas externas y formar, de este modo, enlaces covalentes estables, el hidrógeno necesita solamente un electrón, dos el oxígeno, tres el nitrógeno y cuatro el carbono. Los cuatro elementos pueden reaccionar unos con otros para formar un gran número de compuestos covalentes diferentes.
Además, tres de estos elementos (C, N y O) pueden compartir uno o dos pares de electrones para originar enlaces sencillos o dobles, capacidad que les dota de considerable versatilidad para el enlace químico. El carbono, el nitrógeno, el hidrógeno y el oxígeno, se muestran todavía singularmente idóneos en otro aspecto: son los elementos más ligeros capaces de formar enlaces covalentes. Puesto que la estabilidad de un enlace covalente se halla inversamente relacionada con los pesos atómicos de los átomos unidos, estos cuatro elementos son capaces de formar enlaces covalentes muy fuertes.
Particularmente significativa es la capacidad de los átomos de carbono para ejercer interacciones mutuas y formar enlaces covalentes estables carbono-carbono. Puesto que los átomos de carbono pueden aceptar o ceder cuatro electrones para completar el octeto externo, cada átomo de carbono puede formar cuatro enlaces covalentes con otros cuatro átomos de carbono. De este modo los átomos de carbono unidos covalentemente pueden constituir esqueletos lineales o cíclicos para una inmensa variedad de moléculas orgánicas diferentes.
Por otra parte, puesto que los átomos de carbono establecen con facilidad enlaces covalentes con el oxígeno, el hidrógeno y el nitrógeno, así como con el azufre, se pueden introducir gran número de clases de grupos funcionales en la estructura de las moléculas orgánicas.
Niveles de organización
Las proteínas, los ácidos nucleicos y los polisacáridos, los lípidos se asocian de manera espontánea para formar estructuras de peso molecular alto y habitualmente actúan como sistemas macromoleculares.
En el nivel de organización inmediatamente superior, macromoléculas de diferentes clases se asocian unas con otras para formar sistemas supramoleculares, por ejemplo:
* Lipo-proteínas, que son complejos formados por lípidos y proteínas,
* Ribosomas. Que, a su vez, son complejos de ácidos nucleicos y proteínas. Cada ribosoma de una célula bacteriana contiene 3 moléculas diferentes de ácido ribonucleico y alrededor de 50 diferentes moléculas de proteína.
Sin embargo, existe una diferencia distintiva en el modo de unión de los componentes. En los complejos supramoleculares, las macromoléculas componentes no se hallan unidas covalentemente unas a otras. El ácido nucleico y la proteína componentes de los ribosomas no se hallan unidos entre sí covalentemente; se mantienen unidos por la acción de fuerzas no covalentes, relativamente débiles, tales como los enlaces de hidrógeno, las interacciones hidrófobas y las interacciones de Van der Waals. Sin embargo, debido a que se mantienen unidos mediante un gran número de tales asociaciones débiles, los complejos supramoleculares como los ribosomas son sorprendentemente estables bajo condiciones biológicas.
Por otra parte, la asociación no covalente de macromoléculas para constituir complejos supramoleculares es muy específica; es el resultado de un preciso acoplamiento geométrico, o complementariedad, entre las partes componentes. Por ejemplo, la estructura tridimensional de los ribosomas muestra un elevado grado de ordenación y es muy específica, de acuerdo con su compleja función en la traducción de la información genética hasta la estructura proteica,
En el nivel de organización más elevado de la jerarquía de la estructura celular, diversos complejos supramoleculares se ensamblan ulteriormente para constituir organelas tales como núcleos, mitocondrias y cloroplastos, e inclusiones, tales como lisosomas, microcuerpos y vacuolas. De acuerdo con los conocimientos actuales, también aquí los diversos componentes están asociados mediante interacciones no covalentes.
Cantidades relativas de las clases principales de biomoléculas
Las proteínas (del griego proteios. "el primero") son las macromoléculas más importantes de la célula, constituyen alrededor del 50% del peso seco de las células.
El segundo conjunto de macromoléculas que sigue en abundancia son los ácidos nucleicos, seguidos de los hidratos de carbono y de los lípidos. Si dejamos de considerar partes relativamente inertes de los organismos vivos tales como el exoesqueleto, la porción mineral del hueso, materiales extracelulares tales como el pelo o las plumas, y materiales de reserva intracelular como el almidón y la grasa, cuyo contenido varía ampliamente de una célula u organismo a otro, todas las células vivas contienen aproximadamente las mismas proporciones de las clases principales de biomoléculas. Así la porción "viva" de todos los tipos de células posee casi la misma composición molecular.
Los tipos principales de biomoléculas ejercen idénticas funciones en todas las especies de células. Los ácidos nucleicos actúan universalmente almacenando y transmitiendo la información genética. Las proteínas son los productos directos y los efectores de la acción de los genes. Algunas proteínas poseen actividad catalítica específica y actúan como enzimas. Otras desempeñan el papel de elementos estructurales, las proteínas son las más versátiles de todas las biomoléculas
Los polisacáridos desempeñan dos funciones principales en todas las células. Algunos, como el almidón, sirven a modo de almacenes de combustibles que proporcionan energía para la actividad celular, y otros, como la celulosa, sirven de elementos estructurales extracelulares.
Los lípidos, a su vez, también desempeñan el mismo papel en todas las células, bien como componentes estructurales principales de las membranas o como forma de almacenar combustible rico en energía.
Es necesario comentar otro punto. Existe una diferencia importante y fundamental entre los ácidos nucleicos y las proteínas, por una parte, y los polisacáridos y los lípidos por otra. Los ácidos nucleicos y las proteínas son macromoléculas informáticas. Cada molécula de ácido nucleico contiene cuatro o más tipos de nucleótidos dispuestos en una secuencia específica rica en información. Del mismo modo, cada molécula proteica contiene una secuencia específica, rica en información, de cerca de 20 aminoácidos diferentes. Por otra parte, los polisacáridos y lípidos no desempeñan la función de transportar la información.
Por ejemplo, los monómeros de los polisacáridos o bien son todos idénticos, como en el caso del almidón, que es un polímero de la glucosa o bien están constituidos por dos tipos, los cuales meramente se alternan
Las biomoléculas primordiales
Todas las diferentes proteínas están constituidas solamente por 20 aminoácidos distintos y los ácidos nucleicos lo están, en su mayor parte, por 8 nucleótidos diferentes. De manera semejante, los polisacáridos están integrados solamente por unas pocas moléculas de azúcares simples. Puesto que las macromoléculas de todos los organismos están constituidas sólo por relativamente pocas y simples monómeros, se ha sugerido que las primeras células que surgieron sobre la tierra, pudieron haberse construido a partir únicamente de dos o tres docenas de moléculas orgánicas diferentes. Este conjunto de biomoléculas primordiales puede haber incluido 20 aminoácidos, 5 bases nitrogenadas y 1 ó más ácidos grasos, 2 azúcares, el alcohol glicerina y una amina, la colina. Cualquiera que sea su número preciso y su identidad, este conjunto de biomoléculas primordiales puede ser considerado como el antecesor de todas las demás biomoléculas; constituye el primer alfabeto de la materia viviente.
Especialización y diferenciación de las biomoléculas
A medida que los organismos vivos evolucionaban hacia formas más complejas y altamente diferenciadas, se desarrollaban nuevas biomoléculas, de mayor complejidad y variedad.
Por ejemplo, hasta ahora se han encontrado en el mundo biológico alrededor de 150 aminoácidos diferentes. Casi todos ellos derivan de los 20 aminoácidos fundamentales utilizados en la construcción de proteínas. De modo análogo, se conocen docenas de nucleótidos diferentes y de derivados de nucleótidos, conteniendo todos descendientes de las cinco bases nitrogenadas principales. Derivan biológicamente de la glucosa unos 70 azúcares sencillos, a partir de los cuales se forma gran variedad de polisacáridos en diferentes organismos. Existen muchos ácidos grasos diferentes, todos ellos descendientes de uno o de unos pocos ácidos grasos primordiales.
Muchas de las biomoléculas especializadas son extremadamente complejas y a primera vista parecen conservar poca semejanza con las 30 biomoléculas primordiales. Entre ellas se encuentran pigmentos, aceites esenciales aromáticos, hormonas, antibióticos, alcaloides y diversas moléculas estructurales tales como la lignina de la madera. La investigación reciente sobre la biogénesis de tales sustancias complejas muestra, no obstante, que también derivan, en último término, de alguna de las biomoléculas primordiales.
Idoneidad de las biomoléculas
¿por qué seleccionaron los organismos vivos los tipos específicos de moléculas orgánicas que actualmente poseen? ¿por qué deben ser 20 aminoácidos los componentes estructurales de las proteínas? ¿por qué no son únicamente 10? ¿por qué no son 40? ¿por qué son todos alfa-aminoácidos? ¿no podríamos igualmente construir grandes moléculas de "proteína" a partir de aminoácidos que tuviesen sus grupos amino en posición ß?
¿por qué fueron seleccionadas las purinas adenina y guanina y las pirimidinas citosina y timina, entre las docenas de derivados purínicos y pirimidinicos conocidos, como componentes de la construcción del ADN de todas las especies? La evidencia experimental sostiene el concepto de que las biomoléculas que conocemos en la actualidad se seleccionaron entre un numero mucho mayor de compuestos asequibles
A causa de su especial idoneidad para conferir a las células que los contienen una capacidad de supervivencia mayor. En realidad, se han aislado varios centenares de compuestos orgánicos a lo largo de los experimentos de simulación de las condiciones primitivas de la tierra sobre el origen abiótico de las moléculas orgánicas, y ya que solamente pueden haberse necesitado un pequeño número de compuestos orgánicos diferentes para formar las primeras bioestructuras, parece muy probable que tuvo lugar un proceso de selección.
Otro argumento a favor del concepto de idoneidad puede derivarse del hecho de que, a pesar de la existencia biológica de 150 aminoácidos, las proteínas de todas las especies se hallan construidas por el mismo conjunto de 20 aminoácidos primordiales. Si cualquiera de los otros aminoácidos hubiera demostrado ser más "adecuado" como componente de las moléculas proteicas que los aminoácidos primordiales, ha transcurrido un amplio tiempo de evolución disponible para que los organismos hubieran adquirido la capacidad de utilizarlo.
Dimensiones y formas de las biomoléculas
Los tamaños y las formas de las biomoléculas, son atributos son muy significativos en bioquímica y en biología molecular. Por ejemplo, la importancia del encaje complementario entre el sustrato y el centro activo de un enzima es tan grande que hace posible la selectividad de la catálisis enzimática y la ausencia de subproductos. Tan sólo con que se produzca un pequeño cambio en alguna dimensión crítica de una molécula de sustrato, puede ocurrir que ésta no pueda acoplarse al centro activo y no resultar ya posible el ser alterada por el enzima. Además, la gran exactitud con la que se replica la información genética del dna, depende también de la precisión del acoplamiento mutuo de biomoléculas especificas. Por ello, resulta esencial familiarizarse con las dimensiones y la forma de las biomoléculas, y como se relacionan con las dimensiones de las diversas estructuras intracelulares.
Debido a un acuerdo internacional, se utilizan las unidades métricas: nanómetros, micrómetros y milímetros para medir las moléculas.
Las proyecciones planas bidimensionales, en las que necesariamente aparecen las estructuras de las moléculas orgánicas en las páginas impresas, son insuficientes para describir la verdadera configuración tridimensional de las biomoléculas.
Por dicha razón los bioquímicos construyen con frecuencia modelos tridimensionales de las biomoléculas cuando se enfrentan con problemas de especificidad molecular. Existen dos clases de modelos moleculares. Los modelos cristalográficos muestran el esqueleto covalente, los ángulos de las valencias y las longitudes, pero no indican el espacio real ocupado por la molécula. Los modelos espaciales compactos, por otra parte, proporcionan poco detalle con respecto a los ángulos de los enlaces y las distancias en el esqueleto, pero muestran el contorno de van der waals o superficie de la molécula. Aunque ambos tipos de modelos son útiles para el estudio de la estructura de las biomoléculas, el modelo espacial es el que representa la molécula tal como es, "vista" por la célula o por uno de sus componentes específicos, por ejemplo una enzima. Pero una enzima "ve" mucho más que la mera forma tridimensional de su sustrato. Ve la localización y el signo de sus cargas eléctricas y la distancia precisa entre los grupos con carga. Ve las posiciones de los grupos polares sin carga, tales como los grupos hidroxilo, carbonilo y amida que pueden intervenir potencialmente en la formación de enlaces de hidrógeno. Percibe los tamaños y las formas de las zonas hidrocarbonadas no polares de la superficie de la biomolécula que pueden proporcionar zonas de contacto importantes con otras moléculas.
La forma tridimensional y la topografía superficial son muy importantes en el caso de las macromoléculas. Las moléculas de proteína sólo poseen habitualmente una conformación tridimensional específica en las condiciones normales intracelulares, denominada conformación nativa, la cual es indispensable para su actividad biológica. Por ejemplo, solamente la conformación nativa de una molécula enzimática posee actividad catalítica. La conformación tridimensional de una gran biomolécula no puede extrapolarse de la estructura bidimensional de una página impresa, ni tampoco puede llegarse a ella fácilmente mediante modelos espaciales ordinarios. Es necesario un método físico muy complejo, el análisis por difracción de rayos x, para establecerla conformación precisa de las macromoléculas biológicas. Realmente, el lograr el diagrama tridimensional de la estructura de las macromoléculas mediante análisis por rayos x y el establecer la correla?ión entre su estructura y su actividad biológica constituyen los principales objetivos de la bioquímica y de la biología molecular.
Biomoléculas, estructuras supramoleculares y organelas celulares
El tamaño y la forma de las biomoléculas son de crucial importancia en otro aspecto.
En las células hay una jerarquía de organización molecular; las biomoléculas sencillas son los ladrillos de las macromoléculas y éstas a su vez son los componentes de los complejos supramacromoleculares; estos últimos se ensamblan para constituir las organelas de la célula. Los organelas y otras estructuras se organizan en células. Está claro que las dimensiones, forma y propiedades físicas de las biomoléculas sencillas, deben determinar las dimensiones y las propiedades de las macromoléculas, cuya forma y topografía superficial debe, a su vez, determinar cómo se adaptan conjuntamente para formar estructuras supramoleculares; éstas últimas determinan la estructura de las organelas celulares y por último, la de la propia célula.
Un ejemplo espectacular de cómo el tamaño, la forma y las propiedades de una biomolécula base, relativamente pequeña, pueden influir en el tamaño, la forma y el comportamiento biológico de una célula entera, lo proporciona la enfermedad genética humana, llamada anemia falciforme. Las células rojas de la sangre de los pacientes con esta enfermedad poseen una composición bioquímica normal, excepto en la hemoglobina, proteína transportadora del oxígeno. La proteína está constituida por, aproximadamente, 600 restos aminoácidos unidos en cuatro cadenas polipeptídicas. Las moléculas de hemoglobina de estos pacientes difieren muy ligeramente en su composición de la hemoglobina normal, como resultado de una mutación genética: en la hemoglobina falciforme, dos moléculas de ácido glutámico de la hemoglobina normal se hallan substituidas por dos moléculas del aminoácido valina. Este ligero cambio, que afecta solamente a dos de los casi 600 restos aminoácidos, altera la estructura de la molécula de hemoglobina falciforme, de modo que se "apila" de una manera inadecuada con las moléculas vecinas. El defecto provoca, a su vez, un cambio profundo en la forma de todo el glóbulo rojo sanguíneo, el cual adopta la forma de una hoz o media luna, mientras que los eritrocitos normales son discos planos. Como consecuencia, las células rojas falciformes tienden a agregarse en los vasos sanguíneos pequeños, bloqueando la circulación y provocando otras serias alteraciones. Así, solamente una diferencia muy pequeña en la estructura de una pequeña y simple molécula de un aminoácido puede dar por resultado un cambio profundo no solamente en la molécula de hemoglobina de la cual es un componente, sino también en la estructura, mucho mayor, de toda la célula roja sanguínea
Organización estructural de las células
Con la intención de relacionar la estructura y función dinámica de cada tipo de biomolécula con la estructura y papel biológico de los diversos componentes celulares, como por ejemplo paredes celulares, membranas, ribosomas, sistemas contráctiles, núcleo celular, etc, se reseñarán los rasgos estructurales principales de los diferentes tipos de células, las dimensiones y composición molecular de sus organelas internas y la compartimentación y división de las funciones celulares vitales entre dichas estructuras internas.
En los esquemas se representan 2 tipos de células. La primera, la bacteria escherichia coli. El miembro mejor conocido, bioquímica y genéticamente hablando, de la gran clase de células procariotas. La segunda es el hepatocito, o célula hepática, de la rata, ejemplo bien estudiado de la otra gran clase de células, las eucariotas. Tanto la célula de e. Coli como el hepatocito obtienen su energía de la oxidación de las moléculas orgánicas nutrientes adquiridas del entorno (son heterótrofas, en contraposición con las células vegetales, que son autótrofas).
La célula vegetal fue excluida, solo para demostrar que soy buena.
Organización estructural de las células procariotas.
Las células procariotas son células sencillas y muy pequeñas; poseen una membrana única, la membrana celular, la cual se halla rodeada, habitualmente por una pared celular rígida. Puesto que no poseen otras membranas no contienen núcleo ni otras organelas membranosas tales como mitocondrias o retículo endoplasmático. Solamente contienen un cromosoma, formado por una molécula de ADN de doble hélice y densamente arrollado para formar la zona nuclear. Los procariotas se reproducen en gran parte por división asexuada.
Fueron las primeras células que surgieron de la evolución biológica.
Organización estructural de las células eucariotas
Las células eucariotas son mucho mayores y mucho más complejas que las células procariotas. El volumen celular de la mayor parte de las eucariotas es de 1000 a 10000 veces mayor que el de las típicas procariotas. Casi todas las células de los organismos superiores, tanto del mundo animal como del vegetal, son eucariotas, y también lo son las de los hongos, los protozoos y la mayor parte de las algas. Las eucariotas contienen una membrana que rodea el núcleo. El material genético se halla dividido entre varios o muchos cromosomas, los cuales sufren la mitosis durante la división de la célula. Las eucariotas también contienen organelas membranosas tales como las mitocondrias y el aparato de Golgi, así como un retículo endoplasmático. Muchas de sus reacciones metabólicas se hallan separadas en compartimientos estructurales. Las eucariotas son de origen evolutivo más reciente que las procariotas; presumiblemente, derivan de estas últimas.
cuestionario
1- comente cuantos electrones necesitan para completar sus capas electrónicas externas el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno y el carbono
2- cómo se relaciona esto con la capacidad de formar enlaces covalentes de cada uno de estos elementos?
3- qué tipo de enlaces une a las macromoléculas para formar complejos supramoleculares?
4- cuál es el significado de la frase “Las proteínas son los productos directos y los efectores de la acción de los genes”?
5- cuáles son las 2 funciones principales de los polisacáridos?
6- Cúales son las 2 funciones principales de los lípidos?
7- Cuáles son las moléculas informáticas y porqué?
8- Ordene la jerarquía de organización molecular: macromoléculas; organelas intracelulares; las biomoléculas sencillas; complejos supramacromoleculares; célula
9- Describa el como es el núcleo y el sistema de endomembranas de las células procariotas
