Biomoléculas

Se tiene que tener claro cuáles son algunas de las propiedades distintivas de los seres vivos. Primero, los organismos son extremadamente complejos y altamente organizados, esto es característico de todos los seres vivos. Otra característica, es que las estructuras biológicas sirven para propósitos funcionales y estas estructuras están hechas de macromoléculas por lo tanto las rigen las leyes químicas. Todos los sistemas vivos se caracterizan por ser muy activos en las transformaciones energéticas, sino hicieran esto no serían seres vivos. Los sistemas vivos tienen la extraordinaria capacidad de auto replicarse, de hacer copias de ellos mismos. Se habla de auto replicarse porque se considera vida hasta los virus y éstos son los últimos organismos capaces de auto replicarse, a expensas de otros seres vivos, pero se auto replican de todas maneras. Tenemos ejemplo de seres vivos como la cebra, la medusa, las aves por decir unos pocos ejemplos que tienen una base en común: están hechos de moléculas, en última instancia de átomos y esa organización que tienen es lo que permite sustentar la vida y reflejan todas las características ya definidas anteriormente. La Escherichia Coli que está en el intestino, también es un ser viviente complejo, con estructura complejísima y capaz de auto reproducirse, de hacer transformaciones energéticas sorprendentes. Finalmente los más pequeños de la escala, los virus, que son una envoltura de proteínas conteniendo un ácido nucléico que le codifica todo lo que tiene que hacer e invaden una célula y la  dirigen para que el virus pueda auto replicarse. Así van matando las células y ellos van aumentando.

Una bacteria tiene una membrana, una pared celular, flagelos pequeños que le permiten movilidad y para adherirse, tienen material genetico tienen la maquinaria para expresar y traducir ese material genetico, con pocos organelos.

En cambio en una célula eucariótica, que es de lo que todos los seres vivos un poco mas complejos, cada célula en si es una estructura complejisima. Una célula eucariótica se caracteriza por tener organelos bien definidos, dentro del núcleo hay un nucléolo; rodeando el núcleo hay un sistema membranoso (RER) que esta tapizado con ribosomas, polisomas; otros organelos membranosos Golgi; REL; mitocondrias, donde ocurre la mayoria de las tranformaciones energéticas; lisosomas donde se degradan un monton de compuestos químicos y los peroxisomas que tienen una función de vigilancia en ciertos aspectos. Una célula vegetal, contrasta con una célula animal, en que tienen una pared que los protege en general, y además tiene un organelo especializado que es el cloroplasto donde tambien ocurren transformaciones energéticas, son capaces de transformar la luz en energía y en compuestos altamente energéticos.

Pero en todos los seres vivos, si se les hace un análisis químico elemental, estan constituidos en mas de un 99% por cuatro átomos: Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Carbono.   

ELEMENTO              PORCENTAJE

Oxígeno                                63

Hidrógeno                          25.2

Carbono                              9.5

Nitrógeno                           1.4

Conceptualmente, hay unanimidad en que el oxígeno es lo más importante en los seres vivos, en cuanto a cantidad; por lo demás es una especia reactiva, el hidrógeno también, el carbono y el nitrógeno. Llama la atención, puesto que los seres vivos están organizados, supuestamente, en todos sus compuestos alrededor del átomo de Carbono. El mayor porcentaje del organismo es agua.

Si uno mira el sistema periódico, existen elementos que se encuentran en grandes cantidades son: H, Na, K, Ca, C, N, O, P, S, Cl y elementos trazas, que están en menor cantidad esta el Mg, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Se, I probablemente ahora encontremos algo de F, algo de Al en algunos casos y algo de As; pero todo eso último es algo anormal encontrarlo ya que estos metales se generan por actividad humana por lo que conllevan problemas.

Agua de mar (%)		Cuerpo Humano (%)		Tierra (%)
O	66	O	63	O	47
H	33	H	25.5	Si	28
Cl	0.33	C	9.5	Al	7.9
Na	0.28	N	1.4	Fe	4.5
Mg	0.0330	Ca	0.31	Ca	3.5
S	0.017	P	0.22	Na	2.5
Ca	0.0062	Cl	0.08	K	2.5
K	0.0060	K	0.06	Mg	2.2
C	0.0014

Cabe preguntarse entonces, ¿qué propiedades, tan especiales, tiene el H, O, C y N para sustentar la química de la vida? La respuesta es que estos compuestos tienen una gran habilidad de formar enlaces covalentes, vale decir, compartir electrones.

El enlace covalente se caracteriza por su alta energía y esa energía se expresa como energía de disociación (kJ/mol)

El aumento de la energía de disociación de enlace sea más fuerte a medida que aumentamos el grado de enlace significa que son difíciles de romper y forman compuestos relativamente estables y que para modificarlos hay que emplear una gran cantidad de energía porque va implicar romper enlaces covalentes, lo cual es una complicación para el ser vivo que también es altamente plástico, moldeable y necesita modificar moléculas para armar sus grandes estructuras.

El carbono es el más versátil de todos, él puede interactuar con el H, con el O, con el N para formar una gran variedad de compuestos. Puede tener libre rotación con enlace simple, en cambio en doble enlace comienza a rigidizar la molécula y la otra característica del carbono es que todos sus enlaces se encuentran lo más alejado posible, por lo tanto los impedimentos estéricos son mucho menor y eso le da una gran versatilidad para interactuar con otros átomos y generar moléculas altamente complejas.

Un elemento a considerar en la característica de cada átomo es su electronegatividad, que es la capacidad del átomo de atraer electrones hacia sí mismo en un enlace covalente. La electronegatividad, en este caso, es que los electrones van a estar más tiempo en el oxígeno que en el hidrógeno y por lo tanto el oxígeno, al tener más electrones, va a estar negativo y el hidrógeno va a estar positivo por lo tanto va a estar cargado parcialmente, por lo que la molécula va a estar polarizada.

La química del carbono puede generar una gran cantidad de compuestos, donde algunos de ellos son:

           

Lo otro que se tiene que tener presente, es la estructura espacial de la molécula. Por ejemplo, se tiene dos compuestos que tienen exactamente la misma composición, pero son compuestos distintos, tienen una distribución espacial distinta. Los dos tienen un grupo funcional carboxilo, ambos tienen cuatro carbonos, dos hidrógenos; pero difieren en que en el primero los grupos funcionales están más cerca que en la segunda donde están más distanciados los grupos funcionales, por lo que el primero es cis y el segundo es trans, la primera es el ácido maléico y la segunda es el ácido fumárico. En el segundo ejemplo se tienen nuevamente dos moléculas distintas la cual la primera es la 11-cis- Retinal y la segunda es la 11-trans-Retinal

Otro aspecto importante de la estructura de los compuestos orgánicos es la quiralidad. Cuando un átomo de carbono que puede tener cuatro sustituyentes y estos son distintos, la disposición espacial de ellos puede determinar más de un tipo de compuestos. Éstos son distintos cuando su imagen especular no se puede superponer, por lo tanto son distintos y los organismos vivos distinguen perfectamente un compuesto quiral de otro.

Hay una nomenclatura básica para esto, de mayor a menor la distribución y en el sentido de los punteros del reloj, se habla de R y en contra reloj se habla de S. Esto es importante, ya que los compuestos que encontramos en la naturaleza y que son parecidos, pero sus enantiómeros tienen características y reaccionan distinto. Por ejemplo:

Lo otro que se tiene que tener presente en las moléculas que forman los organismos, son los niveles de complejidad, que se ve de las estructuras de los más simple a los más complejos

En general, en los seres vivos estamos hechos de moléculas relativamente sencillas pero que se van asociando para que se vayan formando macromoléculas más complejas, complejos supra moleculares que involucran la asociación de estas macromoléculas hechas con distintos bloques básicos para finalmente generar organelos y éstos células.

Moléculas simples son las unidades con que están construidas todas las estructuras mayoritarias, partiendo de metabolitos y macromoléculas, organelos, membranas y la unidad de vida que es la célula.

Las propiedades de las Biomoléculas reflejan su acondicionamiento a las distintas condiciones de vida de los organismos, todas las moléculas han ido evolucionando para ajustarse a estas reacciones e interacciones tan especiales entre moléculas para permitir todas estas propiedades tan particulares que es la célula. La macromolécula y sus bloques para construirla tienen cierta direccionalidad, no fueron construidas al azar, hay algo que determina la funcionalidad que se requiere para hacer las distintas actividades. Las macromoléculas son informacionales, tienen mucha información. Las biomoléculas tienen una arquitectura tridimensionales características y todas las estructuras biológicas dentro de la célula están determinadas por interacciones biomoleculares mantenidas por las fuerzas débiles, clave para la vida, puesto que si todo fuera por enlaces covalentes sería un organismo rígido, sin ninguna plasticidad.

Las interacciones y enlaces débiles son en general menos a 40kJ/mol por si se quiere comparar con la fuerza de los enlaces covalentes. Se tiene 4 tipos de fuerzas débiles: van der Waals, puente de hidrógeno, puentes iónicos y por último las interacciones hidrofóbicas, éstas se despreciaron por mucho tiempo pero son interacciones extremadamente importantes y la estructura membrana biológica no podría existir si no existiera este tipo de interacciones.

Dos puntos importantes sobre las fuerzas débiles son:

§  El reconocimiento biomolecular esta mediado por las fuerzas químicas débiles, hay un reconocimiento en un sitio específico

§  La desventaja es que restringe al organismo a condiciones del medio ambiente en un rango estrecho porque térmicamente uno puede modificar fácilmente las interacciones débiles. Sin embargo, los organismos vivos han colonizados los distintos ambientes terrestres.