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TEMA 3.- NIVEL MOLECULAR: BIOMOLCULAS.

1.-COMPOSICIN MOLECULAR DE LA MATERIA VIVA.

Los compuestos qumicos de la materia viva reciben el nombre de biomolculas.

Antiguamente se les llamaba tambin principios inmediatos, pero esta denominacin ha

cado en desuso. Las biomolculas se clasifican en orgnicas e inorgnicas segn sean o

no compuestos del carbono. En el siguiente cuadro se muestran los distintos tipos de

biomolculas.

AGUA

INORGNICAS GASES

SALES MINERALES

BIOMOLCULAS

AZCARES

ORGNICAS LPIDOS

PROTENAS

CIDOS NUCLEICOS

En la tabla 3.1 aparece la composicin molecular de Escherichia coli, bacteria

comn de la flora intestinal humana, con las cantidades relativas de los distintos tipos de

biomolculas. Se puede constatar que el agua es la biomolcula ms abundante (70%), le

siguen las protenas, que constituyen un 50% del peso seco de la clula, y a continuacin

los cidos nucleicos seguidos de los azcares y los lpidos.

En realidad, si dejamos de considerar las partes relativamente inertes de los

organismos vivos (exoesqueleto, porcin mineral del hueso, depsitos de sustancias de

% del peso N1 aprox. de espe-

Biomolcula celular total cies moleculares

_________________________________________________________________________

AGUA 70 1

PROTENAS 15 3000

CIDOS NUCLEICOS

DNA 1 1

RNA 6 > 3000

POLISACRIDOS 3 5

LPIDOS 2 20

SILLARES ESTRUCTURALES

E INTERMEDIARIOS 2 500

IONES INORGNICOS 1 20

Tabla 3.1.

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reserva, etc.), todas las clulas vivas contienen aproximadamente las mismas proporciones

de los principales tipos de biomolculas que se muestran en la tabla 3.1. Podemos concluir

que la composicin molecular de la materia viva es universal, y este hecho debe hacernos

pensar una vez ms en un origen comn de todas las formas de vida. Adems, los

principales tipos de biomolculas desempean idnticas funciones en todos los seres vivos.

As, los cidos nucleicos actan universalmente almacenando y transmitiendo la

informacin gentica; las protenas son en todas las clulas los productos directos y

efectores de la accin de los genes, desempeando en ellas una gran variedad de funciones

entre las que destacan la catalticas y las estructurales; los azcares y los lpidos

suministran y almacenan energa qumica para los procesos celulares, o bien actan como

elementos estructurales, en todas las formas de vida. Se puede decir, con ciertas

precauciones, que protenas y cidos nucleicos son biomolculas informativas mientras

que azcares y lpidos son biomolculas energticas. Por otra parte, las biomolculas son

enormemente verstiles en cuanto a su funcin: la mayor parte de ellas desempean

diferentes cometidos celulares.

2.- JERARQUA DE ORGANIZACIN MOLECULAR DE LA

MATERIA VIVA.

En la tabla 3.1. se muestran, adems de sus cantidades relativas, el nmero

aproximado de especies moleculares de cada uno de los principales tipos de biomolculas

presentes en la bacteria Escherichia coli. Se puede comprobar que esta bacteria posee

alrededor de 6000 compuestos qumicos diferentes, entre los que se encuentran unas 3000

protenas y otros tantos tipos de cidos nucleicos. Un anlisis semejante para organismos

vivos de mayor tamao y complejidad, como los animales o las plantas superiores,

arrojara cifras ms espectaculares: se calcula que el organismo humano puede contener

unas 30.000 protenas diferentes y una cantidad similar de cidos nucleicos. Aunque

existen protenas de Escherichia coli con funciones anlogas a las de algunas protenas

humanas, no hay protenas que sean idnticas en una y otra especie. Es ms, cada especie

de organismos vivos posee un conjunto de protenas y cidos nucleicos que difiere

completamente del de las dems especies. Si tenemos en cuenta ahora que, segn

estimaciones, en la biosfera puede haber entre 1,5 y 2 millones de especies de seres vivos

puede calcularse que deben existir en ella entre 1010

y 1012

protenas diferentes y una

cantidad equivalente de cidos nucleicos. Despus de muchos aos de intenso trabajo los

qumicos orgnicos "slo" han conseguido identificar y conocer la estructura de algo ms

de un milln de compuestos orgnicos, una fraccin trivialmente pequea del total que se

cree existe en la biosfera. Por otra parte, no slo las protenas y los cidos nucleicos, sino

tambin algunos polisacridos como el almidn y la celulosa son en realidad

macromolculas, con pesos moleculares muy elevados y estructuras qumicas muy

complejas.

El panorama que acabamos de dibujar es, a primera vista, desolador. Se nos antoja

tarea de titanes el que los bioqumicos traten de aislar, caracterizar y averiguar la estructura

de tal inmensidad de compuestos qumicos; parece fuera del alcance humano el llegar a

comprender, siquiera en parte, la organizacin molecular de la materia viva. Sin embargo,

a poco que se profundiza en el estudio de dicha organizacin, se percibe que bajo esta

aparente complejidad subyace una simplicidad casi pasmosa: las clulas pueden construir

toda la inmensa variedad de macromolculas que estamos considerando mediante el

ensamblaje de un nmero discreto de unidades estructurales ligadas entre s para formar

largas cadenas. Estas unidades son biomolculas de peso molecular relativamente bajo y

estructura relativamente simple que reciben el nombre de sillares estructurales. As, los

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aminocidos son los sillares estructurales de las protenas, los nucletidos son los sillares

estructurales de los cidos nucleicos, los monosacridos lo son de los polisacridos y los

cidos grasos de la mayor parte de los lpidos. Los sillares estructurales de los diferentes

tipos de macromolculas que se encuentran en las clulas se cuentan, como mucho, por

decenas: hay slo 20 aminocidos que forman parte de las protenas, ocho son los

nucletidos con los que se construyen los cidos nucleicos, los polisacridos ms

importantes se forman a partir de un slo monosacrido (la glucosa) repetido miles de

veces, alrededor de una docena de cidos grasos junto con la glicerina dan lugar a multitud

de lpidos diferentes.

En definitiva, la organizacin molecular de la materia viva parece seguir una

estrategia de "construccin modular" en la que el ensamblaje de unos pocos "mdulos

prefabricados" (los sillares estructurales) da lugar a una gran variedad de "edificios"

moleculares diferentes. Podemos afirmar que los sillares estructurales son los "ladrillos" de

construccin de la "arquitectura" molecular de las clulas.

La relacin entre macromolculas y sillares estructurales que acabamos de tratar

forma parte de una ms amplia jerarqua de organizacin molecular con varios niveles

de complejidad. Todas las biomolculas derivan en ltimo trmino de precursores muy

sencillos y de bajo peso molecular obtenidos del entorno (CO2, agua, nitrgeno, etc.).

Estos precursores se transforman, a travs de intermediarios metablicos de tamao

molecular creciente, en biomolculas sillares estructurales de peso molecular intermedio.

La unin covalente de estos sillares en largas cadenas da lugar, como vimos, a

macromolculas de peso molecular elevado. Todava existen niveles de complejidad

superiores dentro de esta jerarqua: distintos tipos de macromolculas se asocian mediante

interacciones dbiles (no covalentes) para formar a complejos supramoleculares, como

las membranas o los ribosomas. Estos complejos a su vez pueden asociarse de modo no

covalente constituyendo orgnulos celulares (mitocondrias, cloroplastos, etc.). La

integracin de los distintos orgnulos da lugar a la clula, que ya no pertenece al nivel

molecular sino al celular.

3.- ENLACES QUMICOS E INTERACCIONES DBILES EN

LAS BIOMOLCULAS.

El ensamblaje de los distintos sillares estructurales para dar lugar a los diferentes

tipos de macromolculas se lleva a cabo mediante enlaces covalentes de gran estabilidad.

Aunque como resultado de reacciones qumicas entre diferentes grupos funcionales existe

en la naturaleza una gran variedad de este tipo de enlaces, un reducido nmero de ellos es

el responsable de la construccin de la inmensa mayora de las biomolculas. As, los

monosacridos se ensamblan mediante enlaces glucosdicos para dar lugar a los

polisacridos, los aminocidos mediante enlaces peptdicos para dar lugar a las protenas,

los enlaces ster predominan entre los componentes de los lpidos y de los cidos

nucleicos. La utilizacin de slo unos pocos tipos de enlace qumico para construir sus

biomolculas resulta muy ventajosa para los seres vivos, ya que ello les permite llevar a

cabo un control muy eficaz y econmico de las reacciones qumicas celulares.

En la formacin o rotura de enlaces covalentes entre tomos vecinos se ve

implicada una cantidad importante de energa. Existe un tipo adicional de interacciones

interatmicas, denominadas interacciones dbiles, que son mucho menos energticas y

que por lo tanto pueden romperse o establecerse con extraordinaria facilidad. Muchos de

los acontecimientos que a nivel molecular tienen lugar en las clulas vivas, entre los que

destacan la determinacin de la estructura tridimensional de las macromolculas o la

relacin estereoespecfica entre el enzima y su sustrato, responden a este tipo de

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interacciones. Las interacciones dbiles de importancia biolgica pueden ser de varios

tipos: puentes de hidrgeno, interacciones inicas, interacciones hidrofbicas y

fuerzas de Van der Waals. La base fsico-qumica de estas interacciones se comprender

mejor en relacin con las propiedades de las disoluciones acuosas, por lo que su estudio se

pospondr para un captulo posterior.

4.-ORIGEN DE LAS BIOMOLCULAS.

Los compuestos orgnicos, tan abundantes en la materia viva, se encuentran en la

corteza terrestre, en el agua del mar y en la atmsfera en cantidades muy pequeas (incluso

las llamadas rocas organgenas, como el carbn y el petrleo, proceden de la actividad de

seres vivos de pocas pretritas). Cabe preguntarse, pues, cmo adquirieron los primeros

organismos vivos sus biomolculas constituyentes en un entorno tan pobre en este tipo de

sustancias. En 1922, el bioqumico ruso Aleksandr I. Oparin formul una hiptesis acerca

del origen de la vida sobre la Tierra, que inclua una explicacin sobre el origen de las

primeras biomolculas. Segn esta hiptesis, la primitiva atmsfera de la Tierra era rica en

gases como el metano, el amonaco y el vapor de agua, y estaba prcticamente exenta de

oxgeno; era, pues, una atmsfera netamente reductora, muy diferente al entorno oxidante

que hoy conocemos. La energa liberada por las descargas elctricas de las frecuentes

tormentas y por la intensa actividad volcnica, habra propiciado que estos gases

atmosfricos reaccionasen entre s para formar compuestos orgnicos sencillos, que a

continuacin se disolvan en los primitivos ocanos. Este proceso dur millones de aos,

durante los cuales los ocanos se fueron enriqueciendo paulatinamente en una gran

variedad de compuestos orgnicos; el resultado fue una disolucin caliente y concentrada

de molculas orgnicas: la "sopa primigenia". En esta "sopa" algunos de estos compuestos

simples reaccionaban con otros para dar lugar a estructuras ms complejas, y as fueron

apareciendo las distintas biomolculas. La tendencia de algunas biomolculas concretas a

asociarse en estructuras cada vez ms complejas culmin con el paso del tiempo con la

aparicin de alguna forma primitiva de organizacin celular, que sera el antepasado

comn de todos los seres vivos.

Los puntos de vista de

Oparin fueron considerados

durante mucho tiempo como una

mera especulacin, hasta que un

experimento, ya clsico, realizado

por Stanley Miller en 1953 vino a

corroborarlos. Miller someti

mezclas gaseosas de CH4, NH3,

vapor de agua y H2 (los gases de la

atmsfera primitiva) a descargas

elctricas producidas entre un par

de electrodos durante perodos de

una semana o superiores; todo ello

en un dispositivo como el que se

muestra en la Figura 3.1. Las

descargas elctricas tenan la

finalidad de simular las frecuentes

tormentas de la atmsfera

primitiva. A continuacin analiz el contenido del recipiente de reaccin, encontrando que

en la fase gaseosa, adems de los gases que haba introducido inicialmente, se haban

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formado CO y CO2, mientras que en la fase acuosa obtenida por enfriamiento haba

aparecido una gran variedad de compuestos orgnicos, entre los que se contaban algunos

aminocidos, aldehidos y cidos orgnicos. Miller lleg incluso a deducir la secuencia de

reacciones que haba tenido lugar en el recipiente.

Experimentos posteriores al de Miller, realizados con dispositivos ms avanzados,

han corroborado que la sntesis abitica de biomolculas es posible en condiciones muy

diversas. No slo las descargas elctricas, sino tambin otras fuentes de energa que

pudieron estar presentes en la Tierra primitiva, como los rayos X, la radiacin UV, la luz

visible, la radiacin gamma, el calor o los ultrasonidos, pueden inducir el proceso. Adems

se demostr que no es imprescindible partir de gases tan reducidos como el metano y el

amonaco: mezclas convenientemente irradiadas de CO, CO2, N2 y O2 tambin dan lugar a

gran variedad de compuestos orgnicos.

En resumen, los experimentos sobre la formacin espontnea de biomolculas en

condiciones similares a las de la Tierra primitiva indican que muchos de los componentes

qumicos de las clulas vivas pudieron haberse formado en esas condiciones.

5.-IDONEIDAD DE LAS BIOMOLCULAS.

Es probable que la "sopa primigenia" contuviese centenares de compuestos

orgnicos diferentes. Sin embargo slo un nmero reducido de ellos, alrededor de tres

docenas, fueron seleccionados para dar lugar a las actuales biomolculas. Son las llamadas

biomolculas primordiales. Se cree que este proceso selectivo de debi a que este

conjunto de biomolculas presentaba unas propiedades que lo hacan idneo para conferir

a las clulas que lo posean una mayor capacidad de supervivencia y reproduccin frente a

las que no lo posean.

6.- DIMENSIONES Y FORMAS DE LAS BIOMOLCULAS:

UNIDADES.

Es interesante familiarizarse con las

dimensiones y formas de las biomolculas ya

que estos dos atributos tienen una gran

importancia bioqumica. Hay que recordar que

las interacciones entre las biomolculas, de las

cuales depende el mantenimiento del estado

vital, se basan en una complementariedad

estructural entre unas y otras.

En la Tabla 3.2 se muestran algunas

unidades de masa y longitud de uso corriente

en bioqumica. Antiguamente se utilizaba

mucho la unidad ngstrom para expresar las

dimensiones moleculares, sin embargo en la

actualidad se recomienda utilizar el Sistema

Internacional de unidades. As, en lo sucesivo,

expresaremos las dimensiones moleculares en nanometros (nm), las dimensiones

celulares en micrmetros (m o micras), las masas moleculares en daltons, y las masas de las clulas en picogramos (pg).

Las frmulas estructurales con las que habitualmente se representa sobre el papel

la estructura de las biomolculas son proyecciones planas en dos dimensiones que poco

UNIDADES DE MASA

1 Dalton = masa de un tomo de H.

= 1,68x10-24

g

1 picogramo(pg) = 1x10-12

g.

UNIDADES DE LONGITUD

1 nanometro (nm) = 10-9

m.

= 10 ngstrom

1 micrmetro (m )= 10-6

m.

= 1000 nm

= 10.000 angstroms.

Tabla 3.2

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nos dicen acerca de su forma tridimensional, siendo sta de gran importancia en

bioqumica. Por ello, los bioqumicos construyen a menudo modelos moleculares a escala

que les proporcionan mayor informacin acerca de dicha forma tridimensional. Los

llamados modelos de bolas y varillas se usan para estudiar los ngulos y distancias de

enlace y las posiciones relativas de los tomos. Por otro lado, los modelos espaciales

compactos representan el contorno de van der Waals o superficie de la molcula,

proporcionando una idea ms certera de la forma tridimensional de la molcula tal y como

es "vista" por otras molculas con las que interacta.

En los ltimos aos, la posibilidad de generar imgenes tridimensionales de las

biomolculas mediante aplicaciones informticas ha abierto nuevos campos a la

investigacin bioqumica.