LA LOGICA
MOLECULAR DE LOS ORGANISMOS VIVOS
Resumido de "Curso breve de Bioquímica" - Albert L. Lehninger-
Ed. Omega S.A.
Los seres vivos están integrados por moléculas inanimadas que se ajustan
a todas las leyes físicas y químicas que rigen el comportamiento de la materia
inerte. Sin embargo los organismos vivos poseen unos atributos que no se
encuentran en la materia inanimada como son:
Complejidad
y organización:
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Poseen estructuras internas complejas
formadas por numerosas moléculas complejas.
Cada
una de las partes que componen la materia viva cumple un rol específico:
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Esto se cumple no sólo para las
estructuras intracelulares, sino también para los compuestos químicos de la
célula (lípidos, proteínas y ácidos nucleicos).
Son capaces
de extraer y transformar la energía de su entorno:
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El ser vivo utiliza materias primas
sencillas para producir o transformar energía, la cual es utilizada para
edificar y mantener sus propias e intrincadas estructuras.
Poseen
la capacidad de duplicarse:
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El ser vivo posee la capacidad de
reproducirse, elaborando copias exactas de si mismo, logrando así la
persistencia de sí mismo en nuestro planeta.
BIOQUIMICA DEL ESTADO VITAL
¿A qué se debe que moléculas inanimadas den origen a seres vivos?
Los filósofos medievales hubieran apelado al vitalismo, doctrina sin
basamento científico. La bioquímica actual estudia de que modo el conjunto de
materias inanimadas que constituyen los organismos vivos se influyen mutuamente
para mantener y perpetuar el estado de vida. Como los seres vivos están
constituidos por moléculas que ejercen entre sí interacciones específicas,
debemos considerar el concepto de que la biología es química. La biología es
una “superquímica” que comprende pero al mismo tiempo trasciende, los campos
tradicionales de la química.
Las moléculas que integran los organismos vivos no solamente se rigen
por todos los principios físicos y químicos familiares que gobiernan el
comportamiento de la materia inanimada, sino que, además ejercen acciones
mutuas de acuerdo con otro modo colectivo como la lógica molecular de la vida.
Existe un conjunto de "Reglas Fundamentales" o axiomas, que
gobiernan la naturaleza, la función y las interacciones de los tipos
específicos de las moléculas presentes en los organismos vivos, y les dotan de
la capacidad de organizarse y replicarse por si mismos.
BIOMOLECULAS:
La composición química de los seres vivos es, cualitativamente, muy
diferente de la del entorno físico en que viven.
La mayor parte de los componentes químicos de los organismos son
compuestos orgánicos de carbono en los que el elemento se halla relativamente
reducido o hidrogenado. Muchas biomoléculas orgánicas contienen también
nitrógeno. Por el contrario, los elementos nitrógeno y carbono no son
abundantes en la materia inerte y se encuentran en la atmósfera y en la corteza
terrestre en formas inorgánicas sencillas, tales como, dióxido de carbono,
nitrógeno molecular, carbonatos y nitratos.
Los compuestos orgánicos presentes en la materia viva muestran enorme
variedad y la mayor parte de ellos son extraordinariamente complejos; las mas
sencillas de las células, las bacterias contienen gran número de distintas
moléculas orgánicas. Las proteínas y los ácidos nucleicos son moléculas
complejas y solamente se conoce la estructura de unas pocas.
Si consideramos ahora organismos mayores y más complejos como son los
animales y las plantas superiores hallaremos que también contienen proteínas y
ácidos nucleicos y en mucha mayor variedad; cada especie de organismos posee su
propio conjunto de moléculas proteicas y de ácidos nucleicos químicamente
diferentes.
Parecería una empresa sin esperanza que los bioquímicos intentaran
aislar, identificar y sintetizar todas las diferentes moléculas orgánicas
presentes en la materia viva. Constituye una paradoja, sin embargo, que la
inmensa diversidad de moléculas orgánicas de los organismos vivos se puede
reducir en último término, a una casi absurda simplicidad.
Sabemos ahora que las macromoléculas de la célula se hallan formadas por
muchas moléculas sencillas, pequeñas unidades estructurales que se hallan
ligadas constituyendo largas cadenas.
En las proteínas sólo se encuentran 20 tipos de aminoácidos diferentes,
pero están ordenados en muchas secuencias distintas, de modo que forman
numerosos tipos de proteínas.
Además, los 20 aminoácidos distintos constituyentes de las proteínas y
los cinco nucleótidos diferentes que integran los ácidos nucleicos son
idénticos en todas las especies vivientes. El reducido número de moléculas
sencillas, sillares estructurales con que están construidas todas las
macromoléculas, poseen otra sorprendente característica: cada una de ellas
desempeña diversas funciones en las células vivientes y algunas son
extremadamente versátiles que realizan buen número de funciones. Los
aminoácidos no sólo actúan como sillares de construcción de las moléculas
proteicas, sino también como precursores de las hormonas, los alcaloides, las
porfirinas, los pigmentos y otras muchas biomoléculas. Las mononucleótidos no
sólo constituyen las unidades fundamentales de los ácidos nucleicos sino que
actúan también como coenzimas y moléculas transportadoras de energía. Podemos
ver que en la organización molecular de la célula existe una simplicidad
fundamental: los millares de macromoléculas diferentes que la forma están
constituidas por sólo unas pocas moléculas sencillas. Podemos ver que la
identidad de cada una de las especies de organismos está preservada por su
posesión de un conjunto distintivos de ácidos nucleicos y de proteínas.
TRANSFORMACIONES ENERGETICAS EN LAS CELULAS VIVAS
La complejidad molecular y la ordenación estructural de los organismos
vivos, en contraposición al azar que reina en la materia inerte, tiene unas
implicaciones profundas para el físico científico. La segunda ley de la
termodinámica establece que los procesos físicos y químicos tienden a aumentar
el desorden o el caos en el mundo, es decir su entropía.
La primera Ley de la Termodinámica establece que la energía no puede
crearse ni destruirse. Los organismos vivos absorben una forma de energía que
le es útil en las condiciones especiales de temperatura y presión en que viven
y entonces devuelven al ambiente una cantidad equivalente de energía. La
energía útil que toman las células se denomina energía libre y se define como
el tipo de energía capaz de realizar trabajos a temperatura y presión
constante.
Los organismos vivos crean y mantienen su ordenación esencial, a
expensas de su entorno, al que transforman haciéndolo cada vez más desordenado
y caótico. Utilizando el lenguaje termodinámico, los organismos vivos son
sistemas abiertos porque intercambian materia y energía con su entorno. La
característica de los sistemas abiertos es que no se hallan en equilibrio con
su entorno.
Los organismos vivos se hallan en estado estacionario que es cuando un
sistema abierto la velocidad de transferencia de materia y energía desde el
entorno al sistema se halla compensado por la velocidad de transferencia de
materia y energía hacia el exterior del sistema.
Las células vivas son muy eficaces en la manipulación de la energía y de
la materia.
La maquinaria de transformación de energía de las células vivas está
construida por entero con moléculas orgánicas relativamente frágiles e
inestables, incapaces de resistir temperaturas elevadas, corrientes eléctricas
intensas o concentraciones extremas de ácidos o de bases. La célula viva es,
por tanto, esencialmente isotérmica; en un instante determinado todas sus
partes tienen prácticamente la misma temperatura. La célula viva es una máquina
química isotérmica.
REACCIONES QUIMICAS EN LAS CELULAS VIVAS
Las células pueden actuar como máquinas químicas, porque poseen enzimas,
catalizadoras capaces de aumentar mucho la velocidad de reacciones químicas
específicas. Las enzimas son moléculas proteicas muy especializadas elaboradas
por las células a partir de aminoácidos sencillos. Cada enzima solamente puede
catalizar un tipo específico de reacción química. En milésimas de segundo
pueden catalizar secuencias de reacciones muy complejas, las cuales requerirían
días, semanas o meses de funcionamiento en el laboratorio químico.
Las reacciones catalizadas enzimaticamente tienen lugar con un
rendimiento del 100% y no hay subproductos.
Los organismos vivos pueden llevar a cabo de modo simultáneo, muchas
reacciones individuales diferentes sin perderse en un mar de subproductos
inútiles.
EL PRINCIPIO DE LA COMPLEMENTARIDAD ESTRUCTURAL
Las moléculas enzimáticas tienen que combinarse con sus sustratos
durante el ciclo catalítico, y el centro activo de la molécula de la enzima
solamente aceptará como sustratos aquellas moléculas que se adapten a él, con
una complementariedad casi perfecta. Los centenares de reacciones químicas,
catalizadas enzimáticamente no se realizan de modo independiente unas de otras
sino que están relacionadas entre sí y constituyen muchas secuencias diferentes
de reacciones consecutivas que poseen intermediarios comunes, de modo que el
producto de la primera reacción se convierte en el sustrato o reactante de la
segunda y así sucesivamente. Esta ordenación determina diversas consecuencias
biológicas importantes.
Una de ellas consiste en que tales sistemas de reacciones químicas se
canalicen por rutas específicas; otra es que las reacciones secuenciales hacen
posible la transferencia de energía química en condiciones isotérmicas.
Las células vivas pueden dividirse en dos grandes clases según el tipo
de energía que obtienen de su entorno. Las células fotosintéticas utilizan la
luz solar como principal fuente de energía: la energía radiante es absorbida
por el pigmento clorofila y transformada en energía química. Las células
heterotróficas aprovechan la energía de las moléculas orgánicas muy reducidas,
ricas en energía, que obtienen de su entorno, como la glucosa.
El trifosfato de adenosina o ATP, actúa como el transportador de energía
más importante en las células de todas las especies vivientes. La función
biológica específica del sistema ATP-ADP como nexo de unión entre dos grandes
redes de reacciones enzimáticas en la célula, es posible gracias a una serie
consecutiva de reacciones químicas.
AUTORREGULACION DE LAS REACCIONES CELULARES
La conexión de reacciones catalizadas por enzimas, en secuencias de
reacciones consecutivas, hace posible canalizar ordenadamente los millones de
reacciones químicas que se suceden en las células, de modo que las biomóleculas
específicas necesarias para la estructura y función celulares tengan lugar en
cantidades y velocidades adecuadas para mantener el estado estacionario normal.
La velocidad de una reacción específica en una porción de la compleja red de
reacciones enzimáticas de la célula puede ser controlada o modulada por las
velocidades de las reacciones de otra parte de la red. Algunas enzimas de la
célula, especialmente las que se hallan al comienzo de una secuencia de
reacciones o en un punto de ramificación de la secuencia, actúan como enzimas
"reguladores"; son inhibidas por el producto final de la secuencia de
reacciones
Las células vivas poseen, además, la capacidad de regular la síntesis de
sus propios catalizadores.
Tales propiedades de autoajuste y autoregulación son fundamentales para
mantener el estado estacionario de la célula viva y son esenciales para su
eficacia en la transformación de la energía.
AUTOREPLICA DE LOS ORGANISMOS VIVOS
La propiedad más notable de las células vivas es su capacidad de
reproducirse con fidelidad casi perfecta, no solamente una o diversas, lo que
ya sería bastante notable sino por centenares y millares de generaciones. Los
símbolos en que está codificada la información poseen las dimensiones de partes
de simples moléculas de A.D.N.
La notable capacidad de las células vivas para preservar su información
genética es el resultado de la complementariedad estructural.
Una hebra de A.D.N. actúa como patrón par ala réplica enzimática de otra
hebra de A.D.N. estructuralmente complementaria.
La molécula de A.D.N. puede escindirse con frecuencia, pero es reparada
con rapidez y automáticamente. No es frecuente que se produzcan errores o
mutaciones.
La información unidimensional del A.D.N. es transferida a la información
tridimensional inherente a los componentes macromoleculares de los organismos,
gracias a la traslación de la estructura del A.D.N. a la estructura proteica.
Una célula es un sistema abierto
isotérmico que se ensambla, ajusta y perpetua por si misma. El sistema está
constituido por muchas reacciones orgánicas consecutivas y ligadas, promovidas
por unos catalizadores orgánicos producidos por la célula; opera según el
principio de máxima economía de partes y procesos, asegurando su precisa
autorréplica mediante un código molecular lineal