Transcripción.

Hoy escribiré sobre el segundo proceso (en orden, no en importancia) más relevante de la Biología Molecular: la Transcripción. Sin embargo, en la última entrada traté sobre la Replicación pero dejé fuera un punto importante más por no complicar el contenido que por descuido propio, así que lo resolveré antes de adentrarnos en el otro tema.

Los Telómeros.

Si recordáis un poco la última entrada y cuando hablaba de los cebadores o primers para la replicación comenté que éstos servían para iniciar, como un punto de apoyo, como si dijéramos, la Replicación al ofrecer un extremo 3'OH para unir nucleótidos. Lo que no comenté fue qué ocurre con los primers una vez han cumplido su función. Pues bien, las DNApol normalmente tienen una función exonucleasa por la que eliminan nucleótidos, ya sea porque hay un missmatch (un desapareamiento o apareamiento erróneo por el que no hay enlaces de hidrógeno compatibles) o por otros motivos, como en el caso de los cebadores, por ejemplo.

La cuestión radica en que al eliminar estos cebadores, en los extremos de la hebra retardada de dobles hebras de DNA lineales, como es el caso de los cromosomas de células eucariotas, se produciría un acortamiento que reduciría la longitud de los cromosomas y una consecuente degradación del material genético de las células. Los extremos de los cromosomas reciben el nombre de telómeros y tienen una composición en la que interviene el DNA nuclear junto con ciertas proteínas de andamiaje especiales y, como se descubrió recientemente, RNA. La solución para el acortamiento de los telómeros se descubrió que radica en una enzima, la telomerasa. Esta enzima presenta en su estructura un fragmento de RNA complementario con el DNA telomérico, una de cuyas características fundamentales es que presenta patrones de repetición bastante particulares y que hacen que exista una buena complementariedad entre enzima y telómero. Una vez la enzima anilla en la posición apropiada, su RNA sirve de primer para elongar la hebra retardada, compensando el acortamiento de otra forma inevitable.

Dado que algunos estudios han relacionado el acortamiento de los telómeros con el envejecimiento celular y también se ha relacionado la telomerasa con la inmortalidad de las células tumorales cancerosas, se ha postulado que una activación controlada de la telomerasa podría, en efecto, permitir combatir envejecimiento y deterioro de de la salud. No obstante, es todo tremendamente hipotético por toda una serie de complicaciones inherentes a la expresión de este gen así como de los efectos aparejados al mismo (la cuestión misma de la relación con cáncer no es nada casual).


Transcripción.

El proceso de la Transcripción es uno de los fenómenos más importantes en la biología. Este proceso consiste, esencialmente, en la producción de RNA transcrito a partir del DNA como molde de referencia. Al igual que en el caso de la Replicación, existen diferentes RNA-polimerasas (RNApol) pero en éste cada enzima tiene una función normalmente relacionada, de forma expresa, con un tipo de RNA diferente dentro de una serie de grupos. El RNA producido directamente a través de la Transcripción es siempre denominado como Transcrito Primario, ya que normalmente sufren modificaciones posteriores que serán objeto de otra entrada.

El proceso ocurre en tres fases canónicas: Iniciación, Elongación y Terminación. El paso de Iniciación consiste en la unión de todos los Factores de Transcripción (TF) oportunos al DNA; éstos son, en general, proteínas que se producen de forma constitutiva (continuada) o regulada por factores internos o externos. El posicionamiento de estos Factores de Transcripción sobre la hebra se da de acuerdo con secuencias prefijadas en los procariotas y eucariotas (en los procariotas es canónica la secuencia de Shine-Delgarno, por ejemplo, y en eucariotas la caja TATA) que aparecen en diferentes combinaciones, denominadas motivos y cajas y que constituyen lo que se denomina Promotor. La unión de los TFs apropiados permite, posteriormente, la unión de la RNApol que corresponda al gen, la unión de un primer de RNA y que se produzca la elongación.

Figura 1. Unión de los diferentes TFs (Factores de Transcripción) típicos de RNApol II en Eucariotas. Pinchad para aumentar la imagen.

Figura 2. Promotor típico de RNApol II. Los números indican distancia al punto de inicio del gen y de la transcripción. Los elementos con más de una letra en una misma posición indican que el elemento puede tener más de una secuencia válida.

La Elongación es, simplemente, la prolongación de la hebra de RNA a partir del primer en correspondencia complementaria con el DNA. Esto hace que la hebra que se transcribe, siempre, sea la hebra anti-sentido del DNA de cada gen, ya que el transcrito primario será siempre igual que el gen en la hebra con sentido.

Figura 3. Esquema general del proceso de Transcripción. Pinchad para aumentar la imagen.

La Terminación, el último paso del proceso, es la conclusión de la Transcripción, que se produce por el reconocimiento de ciertas secuencias y motivos en el extremo terminal de los genes y que producen el desacoplamiento de la RNApol.

Los detalles más relevantes del proceso estriban en que la Transcripción ocurre en ambas hebras y en sentidos completamente opuestos. De hecho, en procariotas y en mitocondrias y cloroplastos (orgánulos de las células eucariotas) la Transcripción puede ocurrir en un mismo gen en las dos hebras, lo que representa un enorme ahorro de espacio. Además, al producirse RNA a partir de DNA los nucleótidos de Adenina son complementados con nucleótidos de Uracilo, por lo que en la secuencia, aunque sea complementaria de la hebra con sentido, tiene U donde antes había T.

Por otro lado, hay un par de detalles bastante importantes que diferencian la Transcripción en Eucariotas y en Procariotas. En Procariotas, por ejemplo, el RNA transcrito para mRNA puede ser policistrónico, es decir, codificar varios genes a la vez en una misma hebra que luego son traducidos como proteínas separadas. En los Eucariotas esto nunca ocurre, cada proteína se transcribe y se traduce como una proteína separada. Sin embargo, muchos genes eucariotas tienen diferentes señales de iniciación y/o finalización de Transcripción, por lo que un mismo gen puede codificar diferentes proteínas al variar la longitud del transcrito correspondiente, lo que ocurre, normalmente, en función de los TFs que se acoplen al DNA en uno u otro extremo. Esto último ocurre por la interacción de diferentes factores y suele ser un fenómeno propio de genes con una regulación muy fuerte, propia del desarrollo de tejidos y órganos, o asociada a condiciones especiales que requieran adaptación de la célula.

Como conclusión, me gustaría señalar que este fenómeno es un reflejo de la enorme complejidad conceptual de la biología. El hecho de que las propias instrucciones de montaje de las piezas-máquinas que permiten la misma vida (las enzimas y proteínas) tengan una forma de regulación y control de su expresión con tantos niveles y que acumula una cantidad de información tan enorme es algo realmente asombroso dado que queda lejísimos de los más eficientes de los diseños informáticos. Sin embargo, tampoco hay que asombrarse, ya que en eso la vida nos lleva millones de años de ventaja y afinamiento y su proceso de control de calidad ha sido mucho más restrictivo que el de cualquier compañía de software.

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Imágenes tomadas del Molecular Biology of the Gene (Fifth Edition) de Watson et al. Editado por Cold Harbor Laboratory Press a través de Benjamin Cummings (Grupo Pearson).

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Enlaces de Interés:

Telómeros.
Transcripción.
Factores de Transcripción.

Replicación y Niveles de Organización Superiores del DNA.

Bienvenidos de nuevo. Lamento que la actualización de esta semana haya caído tarde pero intentaré compensar este puente y adelantar entradas. Esta semana ha sido un poco agobiante en el trabajo. De hecho creo que voy a recurrir más habitualmente a escanear imágenes de algunos de mis libros para poder ganar tiempo.

En esta entrada vamos a tratar sobre dos cuestiones bastante relevantes, aunque no serán de mucha extensión. El primero, sobre el que comenté alguna cosa en la última columna, es el de la Replicación, es decir, cómo el DNA se perpetúa molecularmente y es copiado para producir el doble de material y, así, las células puedan dividirse y cada célula surgida de la original pueda tener el mismo material genético (tanto en contenido como en cantidad) que la progenitora.

Replicación.

Ya comenté al escribir sobre los nucleótidos que la forma trifosfato (dATP, dGTP, dCTP, dTTP) de los desoxinucleótidos son la forma que se emplea para la polimerización del DNA y, por lo tanto, en el caso de la Replicación, ocupan un papel fundamental. Esos fosfatos de las moléculas acumulan energía química que permitirá los enlaces y la consecuente construcción de la molécula en toda su extensión pero el proceso de Replicación, y la polimerización en general, requiere algo más que los desoxinucleótidos-trifosfato (dNTPs) y el ADN original como molde, también exige un cebador o primer para el inicio del proceso. Este cebador es un fragmento pequeño de DNA, aproximadamente de 20 bases de longitud, cuya secuencia no es específica y que se complementa con las hebras de DNA. Este cebador permite la unión de los dNTPs por la enzima DNA-polimerasa (DNA-pol; que posee isoformas también para otros procesos, como la reparación del DNA cuando hay daños o para el DNA mitocondrial y para otros procesos), extendiendo una hebra de forma que al final del proceso se obtiene el doble de material que al principio.

Figura 1. Rendimiento de la Replicación: como se puede ver, el material heredado por las células originadas en la división es mitad nuevo, mitad antíguo.

No obstante, hay sutilezas en el proceso con consecuencias importantes: para empezar, la DNA-pol lee en sentido 3'-5', mientras que sintetiza en sentido 5'-3', esto es así en las dos hebras del DNA, lo que hace que una de las dos hebras sea sintetizada a trozos (hebra retardada) mientras que la otra lo es del tirón (hebra contínua). Esto ocurre así porque la DNA-pol forma un macrocomplejo compuesto por dos unidades de la DNA-pol, una topoisomerasa/helicasa (una enzima que separa las dos hebras de DNA rompiendo los enlaces de hidrógeno), un pequeño complejo (complejo Gamma) que coloca proteínas en la hebra retardada de DNA para estabilizarla y evitar que renaturalice con la contínua; y una proteínas que mantienen el resto unidas entre sí. Este macrocomplejo crea lo que se denomina una horquilla de Replicación.

Figura 2. Gráfico con el modelo de la horquilla de Replicación del DNA. Se pueden apreciar en amarillo las proteínas SSB (colocados por el complejo gamma en azul) estabilizando la hebra retardada y en naranja y verde discontínuo los fragmentos de Okazaki.

Los fragmentos de DNA que complementan la hebra retardada se denominan fragmentos de Okazaki. Estos fragmentos tienen una longitud limitada pero regular debido a que son producto de la geometría del complejo de la horquilla de Replicación. Aunque en principio la producción de los fragmentos de Okazaki podría sugerir que la hebra retardada queda como discontínua, la DNA-pol posteriormente los enlaza entre sí con un pequeño gasto de energía formando así una hebra coherente.

Lo interesante del proceso de Replicación es que bastantes de los elementos que podemos observar en este proceso aparecen posteriormente en otros procesos relacionados con el DNA, como puede ser en la reparación del DNA, en la Transcripción y en la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR), sobre las que escribiré más adelante.

Cromatina.

Los niveles de organización superiores del DNA a los que me refiero en el título son las formas del DNA que aparecen en las células eucariotas (con auténtico nucleo y endomembranas) a partir de la estructura de la doble hebra que ya describí anteriormente. Su importancia va más allá de una simple cuestión de organización para ahorrar espacio, como explicaré más abajo. La primera estructura que forma el DNA después de la doble hebra es la que se denomina estructura nucleosomal. Los nucleosomas son unidades regulares formadas por el DNA y unas proteínas, muy conservadas filogeneticamente (o sea, a lo largo de la evolución), denominadas histonas. Las histonas (H2A, H2B, H3, H4) forman un octámero alrededor del que se arrolla el DNA de una forma bastante regular (en número de bases) y que se cierra por la quinta histona (H1). La Hebra de DNA e histonas es lo que se denomina estructura de collar de perlas. Esta estructura puede compactarse, que es lo que ocurre en el nivel de fibra de 30nm (nanometros). A su vez, esta fibra es la forma de unión a las proteínas de andamiaje (scaffolding) que dan la base estructural física de los cromosomas.

Imagen que aclara los niveles de organización del DNA en la Cromatina.

El conjunto de DNA y proteínas que conforman los cromosomas son lo que se denomina cromatina y el estado de compactación tiene una gran importancia funcional por una cuestión puramente física. Cuanto más compactado se halla el DNA, menos accesible es este para las enzimas que se ocupan de la Replicación y de la Transcripción, ya que no disponen de espacio para unirse al DNA y poder realizar su función. Aunque en los primeros tiempos del estudio de la compactación de la cromatina se creía que era un fenómeno sólamente asociado al gran cambio de compactación que ocurre al entrar la célula en mitosis (los cromosomas se compactan extraordinariamente para el proceso de división celular ya que deben repartirse por igual entre una célula y otra), la realidad es más compleja y los cromosomas alteran su estado de compactación de forma selectiva con fines funcionales de expresión genética, por lo que esta forma física de impedir el acceso de las enzimas de la Transcripción al DNA es un nivel más de regulación de la expresión de los genes.

Es en este nivel de regulación en el que las histonas muestran por qué tienen tal importancia: las histonas presentan unas colas que sobresalen de la estructura del octámero nucleosomal y que pueden ser objetivo de modificaciones de diferente tipo: acetilación, metilación SUMOilación. Estas modificaciones alteran la hidrofobia o hidrofilia de las colas, que se doblan sobre el nucleosoma y por tanto lo cierran o lo abren, participando en la regulación de la expresión genética a un nivel fundamental. Esta es una de las cuestiones que justifican la importancia de la conservación de las histonas y que unen el concepto estructural y el concepto funcional.


Enlaces de Interés:
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Nucleosomas.
Histonas.
Cromatina.

Biomoléculas (V).

Nucleótidos.

Llegamos al final del primer gran tramo de la bioquímica, las entradas dedicadas a las biomoléculas, y por fin nos adentraremos en el campo de la biología molecular. La columna de hoy está dedicada a los ácidos nucleicos. Los ácidos nucleicos son dos tipos de moléculas, fundamentalmente, el DNA/ADN* o Ácido DesoxirriboNucleico; y el RNA/ARN o Ácido RiboNucleico. Fundamentalmente, DNA y RNA comparten la misma estructura polimérica en la que los monómeros son los nucleótidos. Cada nucléotido se compone de una pentosa, Ribosa en el RNA y Desoxi-Ribosa en el caso del DNA (la diferencia entre ambas es que en la Ribosa hay un grupo hidroxilo más en el carbono C2'), que une en su carbono C5' entre uno y tres fosfatos, a través de enlaces éster; y en su carbono C1' una base nitrogenada del grupo de las purinas o del de las pirimidinas mediante enlace glucosídico (la numeración se indica con un apóstrofe o signo de prima porque los carbonos principales son de la base nitrogenada). Las bases nitrogenadas son, en tres casos, las mismas para ambos ácidos nucleicos: Adenina, Citosina y Guanina. La cuarta base varía, siendo la Timina para el DNA y el Uracilo en el RNA.

La polimerización de los nucleótidos es muy estereotipada: los fosfatos en 5' unen siempre con otros nucleótidos por el hidroxilo 3'. Esto hace que se forme siempre una cadena con el eje pentosa-fosfato y las bases nitrogenadas en el lado. La diferente combinación de las bases nitrogenadas, por otro lado, es lo que compone el mensaje genético en un formato u otro (DNA o RNA). La cuestión es que las bases nitrogenadas presentan diferentes cargas en sus anillos, lo que da pie a la formación de diferentes oportunidades para enlaces de hidrógeno. Normalmente, esos puentes de hidrógeno se cierran entre Citosina y Guanina, por una parte, y entre Adenina y Timina o Uracilo por otra. Además, los nucleótidos no sólo tienen el papel estructural en los ácidos nucléicos sino que también tienen funciones energéticas y de señalización: el ATP (Adenosin-TriFosfato) es la molécula fundamental de transferencia de energía en los seres vivos en virtud de toda la energía química que se acumula en los enlaces entre los fosfatos 2 y 3 (lo que ocurre, precisamente, en forma de activación de mecanismos enzimáticos al proporcionar la energía para la transición de estado de las reacciones catalizadas que comentaba en la última entrega) pero además es una molécula que actúa como señalizador y segundo mensajero al convertirse en la forma cíclica de AMPc (Adenosin-MonoFosfato cíclico).

Después de lo expuesto, se puede comprender que los nucleótidos son esenciales para toda forma de vida conocida pero ¿por qué dos tipos de moléculas? EL DNA es, fundamentalmente, el material genético permanente de las células (en el núcleo cuando hay uno, sobre todo) y el RNA es un material producido a partir del DNA con diferentes funciones. Normalmente, según el Dogma Central de la Biología Molecular, el DNA es el molde para la producción de RNA y éste es la forma de transmisión del mensaje genético dentro de la célula para producir proteínas. Esto lleva implícita una jerarquía por la que el RNA nunca induce cambios en el DNA, lo que no es cierto del todo (la excepción está en los retrovirus, que llevan RNA y una enzima, la transcriptasa inversa, que produce DNA a partir de RNA) pero que, a grandes rasgos, es válido en lo que nos concierne. El DNA se mantiene como los planos completos de las células a partir de los que se producen planos parciales con los que producir las piezas.

DNA y RNA.

Entre las características del DNA está que es duplexo: forma una doble helicoide sostenida por los puentes de hidrógeno entre Guanina y Citosina (3 puentes) y entre Adenina y Timina (2 puentes) en la que una cadena será denominada como cadena con sentido y la otra como cadena anti-sentido. La helicoide será más estable cuanto mayor sea la proporción de G+C y menor la de A+T. El equilibrio entre estabilidad y flexibilidad tiene su importancia para ciertas interacciones pero el hecho de que sea duplexo lo diferencia categoricamente del RNA. El RNA rarisimamente es duplexo: se produce casi siempre (otra vez la excepción son los virus) a partir de un DNA molde y en forma simplexa.

La estructura duplexa del DNA, esa doble helicoide que nos resulta tan familiar ahora, fue un hallazgo fundamental porque permitió todo el desarrollo posterior de la biotecnología al revelar la replicación semiconservativa del DNA (es decir, que el DNA en las células en división se duplica empleando las dos hebras originales como molde para otras dos siguiendo la complementariedad A+T C+G y, así, en las células que se originan a partir de la original, la mitad del DNA es viejo. Además, la estructura de doble helicoide tiene unas propiedades en cuanto al paso de vuelta y el sentido de giro que son bastante uniformes (aunque haya en realidad varias formas conocidas dextrógiras y una levógira, por lo menos, la Z, nombradas por letras del alfabeto y que tienen que ver con fenómenos de la biología molecular).

El RNA, por otra parte, es un material más complejo en la variedad de moléculas que lo componen. Existen, no obstante, tres variedades mayoritarias diferentes, mRNA (RNA mensajero), tRNA (RNA transferente) y rRNA (RNA ribosomal). El primero es el producto de la Transcripción, es una hebra de RNA producida a partir de la cadena anti-sentido como molde (la nomenclatura de sentido y anti-sentido se refiere sólo a que la hebra de DNA coíncide con el mRNA pero tiene importancia en los fenómenos que veremos posteriormente) y que es la forma de expresión de los genes. El mRNA es, precisamente, procesado en los ribosomas (pequeños orgánulos compuestos por proteínas y rRNA) para producir las proteínas en la Traducción con participación de los tRNA. La mejor forma de visualizar esto es de la siguiente forma: el DNA es la base de datos central con los planos generales de la célula, a partir de esta base de datos central se producen planos parciales que corresponderían a las piezas de la célula, las proteínas. Los planos parciales son enviados desde el núcleo en forma de mRNA y leídos en los ribosomas, que serían los lectores y ensambladores de las proteínas. Los tRNA son los elementos portadores de los aminoácidos, los repartidores que proporcionan éstos para formar las proteínas. La interacción entre la estructura secundaria de los tRNA y los rRNA de los ribosomas ajusta la entrada de los primeros en los los sitios funcionales de estos orgánulos mientras que los extremos sensibles de los tRNA encajan con los mRNA como tripletes.

Por el momento, dejo aquí el tema. Los procesos de biología molecular necesitan algo más de trabajo y la columna se ha alargado bastante. Además, mañana es mi cumpleaños y creo que me puedo permitir la indulgencia.

Referencias interesantes:

Nucleótidos.
DNA.
RNA.

*Nota personal: reconozco que ahora uso más la forma inglesa por manejo habitual de los artículos y publicaciones pero he tardado los séis años de carrera en quitarme el hábito de usar las siglas en castellano.

P.S.: como no tengo ahora mismo otra tribuna para expresar mi asombro, utilizo ésta, vaya. He visto en un corte de los Algos previo a Nada por Aquí, de Cuatro, a uno de los muñecos invocando a Azathoth y a Shub-Niggurath. Definitivamente, los creativos están infiltrados.

Biomoléculas (IV).

Se va acabando: esta entrada corresponde a las proteínas, la penúltima dedicada al repaso elemental de las biomoléculas y, sin embargo, casi diría que la más importante. Seguro que habréis oído hablar sobre la importancia de las proteínas de una forma muy difusa porque los lípidos y los glúcidos siempre se han asociado a la energía pero las proteínas no han tenido un papel tan obvio al que asociarlas. En esta columna voy a intentar despejar las dudas al respecto para que podáis comprender la grandísima importancia de las proteínas.

Composición y Estructura.

Las proteínas son, químicamente, polímeros de aminoácidos. Los aminoácidos son moléculas orgánicas relativamente sencillas cuya característica unificadora es la presencia en todos de un grupo carboxilo y un grupo amino, de lo que derivan su nombre. El grupo carboxilo y el grupo amino se unen al carbono C2 y, de forma mayoritaria en los seres vivos, son L-aminoácidos, ya que, como en el caso de la estructura lineal de algunos glúcidos, para ir del carboxilo al amino se gira levogiramente (al contrario que las agujas del reloj). El resto de la molécula, el resto o resíduo del aminoácido, es la parte diferenciadora. Existen alrededor de 20 aminoácidos (22, si mi memoria no falla) corrientes y comunes en la biología de todos los seres vivos conocidos definidos por sus restos. Estos restos, a la vez, pueden agruparse en polares ácidos, polares básicos y apolares (pero cuidado, que la carga eléctrica es luego otra cuestión. Esta lista de la wikipedia no está mal).

La forma de polimerizar de los aminoácidos os parecerá parecido a las de los glúcidos, aunque el nombre que recibe es diferente. El enlace peptídico se forma entre el -OH del carboxilo de uno de los aminoácidos y un H del grupo amino del siguiente aminoácido, desprendiéndose agua en el proceso. Mediante la repetición de estos enlaces se forma la Estructura Primaria de las proteínas, la cadena lineal formada por los aminoácidos que las componen. Sin embargo, las interacciones electrostáticas entre los resíduos de los aminoácidos complican las cosas: la Estructura Secundaria es el producto de la atracción y/o repulsión entre los átomos de los restos que componen la proteína, de ahí que sea importante la polaridad (hidrofobia o hidrofilia) y la carga (ácida o básica) de estos resíduos. Se han descrito dos formas de Estructura Secundaria básicas y mayoritarias: alfa-hélice y beta-lámina: la primera es una helicoide en la que los resíduos quedan hacia el interior del eje formado por los carbonos unidos por los enlaces peptídicos, sosteniéndose por los enlaces de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals entre ellos. En el caso de la beta-lámina la cadena lineal se dispone en paralelo y sobre un mismo plano al volver sobre sí misma una vez o más. Naturalmente, hay dominios de la proteína que no caen en niguna de las dos formas, limitándose a la forma lineal pero dotando de plasticidad a la proteína (y normalmente se puede aludir a estas regiones como dominios hinge o bisagra).

Las interacciones entre las estructuras secundarias de la proteína y a la vez con el medio intracelular son las que generan la Estructura Terciaria. Esta estructura es el plegamiento en el espacio (tridimensional) de la proteína y determina la forma final de la misma en la mayoría de los casos. Se trata de la mayoría de los casos porque ciertas proteínas aún presentan una Estructura Cuaternaria que resulta de la unión electrostática de varias proteínas, que pasan de ser proteínas de por sí a subunidades protéicas. Por supuesto, lo que referí en la entrega anterior sobre la termodinámica y la probabilidad de establecer estos enlaces y estas estrcuturas en el espacio se aplica aquí.

Funciones.

Lo más importante sobre las proteínas es el conjunto de papeles que desempeñan en los organismos vivos. Aunque normalmente se hace una distinción a grandes rasgos entre proteínas estructurales y enzimas, esta división es sólo una arbitrariedad para poder operar y manejar un conjunto que tiene un amplio espectro, en realidad, porque todas las proteínas tienen un papel estructural en parte y un papel enzimático en parte.

El papel estructural se debe a que, obviamente, son componentes de la estructura física de la célula, aunque sea como proteínas solubles, ya que éstas tienen que ver con la ósmosis y ayudan a regular el estado de equilibrio osmótico de la célula. Aquellas que forman parte de una membrana tienen un papel más evidente pero las que son la máxima representación del papel estructural son aquellas que forman el citoesqueleto (sobre el que escribiré más adelante, por ahora baste con indicar que es el elemento que sostiene la superestructura de la célula y sirve de vía de transporte de las vesículas).

En cuanto a las enzimas... Bueno, la mayoría de las proteínas, como ya indiqué, tienen un papel enzimático, la cuestión es cómo definir lo que es una enzima de forma facilmente accesible a los legos. En el Suplemento de Física aclaré unas cuestiones de termodinámica pero dejé en el tintero (electrónico, claro) referirme a la Energía de Activación. Las reacciones químicas, para ocurrir, requieren una energía de activación para pasar del estado inicial de los reactivos, al estado final de los productos. Cuando las reacciones son espontáneas en la naturaleza (y tienen por tanto un valor negativo de G), ocurrirán antes o después pero antes debe superarse una cierta energía de activación (es decir: el valor de entropía multiplicado por la temperatura, como se seguía de la fórmula de cálculo de G, debe ser mayor que el valor de H y por tanto ser negativo). Esa energía de activación, cuando las reacciones son espontáneas o se les aporta energía externamente, se alcanza porque se provee a las moléculas de los reactivos de la excitación y energía suficiente como para que cambien sus enlaces y den lugar a los productos. Esto, en la naturaleza, ocurre porque la Entropía, la medida del caos molecular y de la energía que se consume en la realización de trabajo útil (la transformación de reactivos en productos, en este caso), tiende a ser máxima con el transcurrir del tiempo. Es lo que se conoce como Segundo Principio de la Termodinámica y la extensión de su argumento resulta en que el Universo un día se deshará en una sopa de materia simple aderezada con radiación infrarroja de fondo.

Pero eso última era divagación sobre la que, con suerte, volveremos otro día. En la cuestión de las Enzimas que nos ocupa ahora todo esto tiene relevancia porque las proteínas con algún papel enzimático actúan como catalizadores, es decir, actúan como moléculas que, en una reacción, rebajan la energía de activación favoreciendo que se alcance la energía que produce la transformación de los reactivos en los productos antes y, en consecuencia, acelerándola. Además, como catalizadores, no se ven modificados en el transcurso de la reacción, permaneciendo al final iguales a como eran al principio (lo que no quita para que se produzcan modificaciones covalentes durante la reacción que luego reviertan: la enzima, en ese caso, actuaría como una molécula intermedia de transición).

Como toda esta charla de reactivos y productos puede resultar árida prefiero introducir aquí mi propia imagen de lo que son las enzimas y, por tanto, la mayoría de las proteínas: las enzimas son nanomáquinas o máquinas de tamaño molecular. Son los servo-motores, engranajes, relés y partes móviles de la gran maquinaria vital que es la célula. Las enzimas transforman los glúcidos en CO2 y agua produciendo los compuestos que almacenan la energía química con la que funcionamos (el ATP/GTP y el NADH+H, que trataré en alguna entrega futura); forman los motores de las vesículas de las células (hay unas cuantas peliculitas sobre esto que se pueden ver por internet si introducís en Google: vesicle movement movie, si os interesa); son los agentes de la contracción muscular (actina y miosina en este caso concreto) y los puertos de comunicación entre células y las antenas receptoras de señales hormonales. Sin las proteínas no tendríamos metabolismo ni, por extensión, vida, y son tan esenciales para nosotros que indicar cualquier función del organismo es indicar un proceso en el que hay proteínas implicadas: demasiadas para enumerarlas todas aquí, por lo que indicaré cuando progresemos en los niveles de organización. En estos últimos dos años (y en los últimos veinte, si nos remitimos a la literatura de ciencia-ficción que se dedicó a adelantarnos el presente en los años ochenta) se ha oído hablar mucho de nanotecnología y máquinas moleculares pero lo cierto es que todo eso ha existido desde hace millones de años y se ha diversificado y afinado de las maneras más complejas y eficientes posibles por la Evolución y los procesos de la Selección Natural. Aunque ahora algunos intenten imitarlo mucho van a tener que correr para llegar a los rendimientos de la simple naturaleza.

P.S.: me referiré más adelante a las isoformas de las enzimas. Que os suene el término, sólamente, de momento, como no he señalado nada específico, no necesitáis saber más.

Ah, echad un ojo a este enlace. A mí me ha divertido mucho.

Suplemento de Física.

Un de las entradas pasadas era el suplemento de química orgánica, para proporcionar cierta base sobre los grupos orgánicos más habituales en las biomoléculas. No era nada complicado y si era necesario para los que tengan la materia olvidada o aparcada. La de hoy es una actualización breve pero que está dedicada a revisar unas partes fundamentales de la física que opera en la biología.

Termodinámica.

La primera parte es la Termodinámica, que, a pesar de las descripciones tradicionales, se puede entender como la rama de la física que estudia los procesos químico-físicos y los flujos de la energía durante las reacciones químicas. La parte que nos atañe concierne a una parte pequeña de la termodinámica, concretamente, la que hace referencia a uno de sus potenciales: la Energía Libre de Gibbs. La Energía Libre de Gibbs determina, como valor, la probabilidad de que una reacción o sistema de reacciones químicas ocurran en la naturaleza. La ecuación de la Energía Libre de Gibbs es:

En esta ecuación, H es la entalpía, la Energía disponible dentro de un sistema (la reacción a la que atañe) para realizar Trabajo (en este caso sería el curso de la reacción en el sentido indicado, por ejemplo: 2 H2 + O2 --> 2 H2O tendría un valor de H); T es la temperatura; y S es la Entropía del sistema (que mide el caos a nivel molecular y el desgaste de la energía para producir un trabajo útil). El valor resultante en G puede ser positivo, negativo o cero, y ahí está el punto clave de lo que nos importa: las reacciones con G negativa ocurren espontáneamente en el sentido en que han sido escritas; las que tienen valor cero se hallan en equilibrio; y las que tienen valor positivo no ocurren en el sentido indicado de forma espontánea (claro que pueden ser forzadas aportando energía desde fuera, ya que ese es el significado de la temperatura en este caso).

Todo lo indicado sobre termodinámica es importante porque se aplica en bioquímica tanto para reacciones entre moléculas como para el cálculo de la probabilidad de que se establezcan enlaces intermoleculares no covalentes. Esta expresión que parece complicada hace sólo referencia a los enlaces entre moléculas basados en las fuerzas electrostáticas generadas por la carga eléctrica resultante en los átomos de las diferentes moléculas. Por ejemplo, los enlaces de hidrógeno son las fuerzas que sostienen la estructura del agua y son claro ejemplo del resultado de electronegatividad y electropositividad pero también abundan las fuerzas de Van der Waals. Esta relación entre las fuerzas electrostáticas no covalentes intermoleculares y el cálculo de su espontaneidad mediante la energía libre de Gibbs es la base del cálculo de la probabilidad de las estructuras bidimensionales y tridimensionales en proteínas, ácidos nucléicos e incluso estructuras más complejas, como las membranas biológicas.

Difusión y Ósmosis.

La difusión es el tránsito de moléculas de una substancia, líquida, en disolución o gaseosa, de un punto del espacio a otro de acuerdo con la termodinámica y el espacio disponible. Es un fenómeno que ocurre de forma natural de acuerdo con un gradiente de concentración, es decir, desde donde está más acumulada (concentrada) la substancia a donde lo está menos. La difusión, en términos de física, sigue la ecuación de la Ley de Fick:

En esta ecuación, J es el flujo en cantidad de materia (por ejemplo moles, o sea el Número de Avogadro de moléculas de la substancia) dividido por unidad de superficie y unidad de tiempo; D es el coeficiente de difusión (en unidades de superficie divididas por unidad de tiempo); Phi/Fi es la concentración (en unidades de materia divididas por unidades de volumen); y x es la posición. Básicamente, lo que ocurre es que, naturalmente, las moléculas de los líquidos, gases o sólidos en disolución tienden a ocupar el espacio disponible de forma uniforme (es decir, el mismo número por unidad de volumen) de forma natural (termodinamicamente espontánea).

Lo relativo a la difusión es de gran importancia en el fenómeno biológico de la ósmosis. Normalmente se habla de la ósmosis en noticias y de forma más o menos coloquial y supone, aproximadamente, lo mismo que difusión. No, no es así del todo. La ósmosis es la difusión de agua a través de una membrana semipermeable, es decir, una membrana que es selectiva respecto a las moléculas que pueden traspasarla. Es un concepto clave en la biología y que se aplica, sobre todo, a solutos iónicos a ambos lados de una membrana. En general, como ya relataré, las membranas biológicas son permeables a agua y gases pero son más selectivas frente a los iones por las propiedades derivadas de su composición, lo que hace que un determinado ión o molécula esté en concentraciones diferentes a ambos lados de la membrana. Eso, en el caso de los iones, tiene como consecuencia principal la generación de una diferencia de carga y el consecuente potencial eléctrico, una de las características intrínsecas de los seres vivos.

A la vez, como consecuencia de la semipermeabilidad de las moléculas, ocurre que las diferentes concentraciones de iones se intenten igualar con ese tránsito de agua también de forma termodinamicamente positiva (y por lo tanto espontáneamente). El agua, así, circulará desde el lado de la membrana con menor concentración (hipotónico) al lado con mayor concentración (hipertónico), hasta alcanzar la igualdad de concentraciones a ambos lados (isotonía). Es cierto que aún así los solutos transitan en el sentido de difundir e igualar las concentraciones (salvo aquellos que físicamente no pueden superar la membrana porque requerirían energía para el transporte) pero en el caso biológico es siempre más rápido el tránsito del agua.

Todo esto no se termina aquí, muchos de los procesos biológicos a bastantes niveles tienen una relación clave con la ósmosis y a medida que los expliquemos se podrá referir la importancia de este fenómeno físico.

Biomoléculas (III).

Después de la última entrada sobre los glúcidos, hoy toca escribir sobre los lípidos. Aunque para la población general los lípidos son conocidos vulgarmente como grasas, este grupo abarca más tipos de moléculas que las que componen exclusivamente esa categoría vernácula y que son los ácidos grasos y triglicéridos. De hecho, los lípidos forman, normalmente, el 50% de la masa seca de cualquier célula y, por extensión, de cualquier ser vivo. Y no estoy hablando de las células de hombres blancos occidentales, cebados por nuestro estilo de vida facil, no, las de cualquier célula. Los lípidos son un componente estructural clave en los seres vivos y sin ellos la vida no existiría, por lo menos no tal como la conocemos, porque tienen una serie de características clave para comprender la aparición celular, como veremos en una entrega próxima, cuando termine la clasificación de las biomoléculas. Además, también existen lípidos con funciones fisiológicas muy importantes.

Los lípidos se agrupan en las siguientes categorías:
-Ácidos Grasos.
-Acilglicéridos.
-Derivados de Ácidos Grasos (sobre todo del ácido Araquidónico).
-Derivados del Isopreno (Isoprenoides).
-Fosfolípidos.
-Esfingolípidos.
-Ceras.
-Estéridos.

Ácidos Grasos.

Los ácidos grasos son, basicamente, una larga cadena hidrocarbonada con un grupo carboxilo (ácido orgánico) en un extremo. La cadena varía en longitud, normalmente tienen entre 12 y 24 átomos de carbono, y en ocasiones la cadena incluye dobles enlaces entre los átomos de carbono, denominados, en lípidos, insaturaciones, que tienen consecuencias funcionales sobre las que escribiré en otra ocasión. Normalmente, los ácidos grasos de células animales suelen tener mayor número medio de insaturaciones pero el número de ácidos grasos con insaturaciones es menor. En el caso de las células vegetales, las proporciones se invierten, lo que explica porque son más saludables, en general, las grasas vegetales (hablaré de la fisiología molecular de los lípidos cuando me refiera a las membranas biológicas). La longitud media de los ácidos de carbono es también diferente entre unas y otras células, siendo el rango más amplio, normalmente, en animales (o sea, entre 14 y 24) pero la longitud media es mayor en vegetales (entre 16 y 20). Las bacterias, en este aspecto, están un poco a medio camino.

Dos Ácidos Grasos de Cadena Larga: la insaturación en el C9 del oléico hace que la molécula se doble en el espacio*, con consecuencias posteriores para las membranas en las que se halle.

Acilglicéridos.

Los acilglicéridos son ésteres de ácidos grasos y glicerol. El glicerol es un alcohol de tres carbonos con tres grupos hidroxilo (alcohol). A través de esos grupos hidroxilo, une a los grupos carboxilo de los ácidos grasos en cualesquiera de sus tres posiciones (átomos de carbono) y forman los ésteres desprendiendo una molécula de agua por cada unión y quedando unidos entre sí los esqueletos carbonados por el átomo de oxígeno. Normalmente las uniones se producen primero en los extremos del glicerol (y ese será el carbono C1), ocupándose después el central (C2) y por último el carbono C3. En función del número de carbonos esterificados en la molécula, se habla de mono-, di- o triacilglicérido (o mono-, di- o triglicérido, como podéis haber oído por ahí). Es habitual que el carbono C2 esté ocupado por un ácido graso de cadena larga (18 o 20 carbonos, por ejemplo).

Glicerol y Triacilglicérido: las combinaciones entre el alcohol y los numerosísimos ácidos grasos hacen que éste sea un grupo muy plástico y variable.

Los triglicéridos son la forma habitual de almacenar ácidos grasos, ya sea con fines energéticos o estructurales. Es así como se almacenan en las células del tejido adiposo (esos michelines que tanto afean/joden) y cuando son necesarios, los enlaces éster son rotos mediante las enzimas apropiadas liberando los ácidos grasos y el glicerol para los diferentes fines.

Derivados de Ácidos Grasos (Eicosanoides).

El ácido Araquidónico es un ácido graso de cadena larga (20 carbonos) con cuatro insaturaciones (carbonos C5, C8, C11 y C14). En los animales, mediante rutas enzimáticas no muy complejas pero muy importantes, que implican enzimas ciclo-oxigenasas, origina tres clases de mediadores locales (mensajeros paracrinos, moléculas que actúan en la comunicación celular a un nivel local, sobre todo en vasos sanguíneos de ciertos órganos): las Prostaglandinas, los Tromboxanos y los Leucotrienos. Estas tres clases de mediadores locales son importantes en los procesos de inflamación y, por lo tanto, de respuesta inmune. Bastante para lo que sólo parecía ser un fabricante de lorzas, ¿no?

Derivados del Isopreno (Isoprenoides).

El isopreno es un hidrocarburo de cadena corta que polimeriza con mucha facilidad. Es la base de las gomas naturales (látex del árbol del caucho) y artificiales. Cuando polimerizan resultan también en diferentes tipos de moléculas, como los Terpenoides (compuestos aromáticos muy abundantes en plantas), Carotenoides (compuestos con hasta 40 átomos de carbono y de gran importancia por su comportamiento frente a la luz, como la Vitamina A y el Retinol, claves en el funcionamiento de la vista) o los Esteroides (como el Colesterol, cuya función también explicaré cuando me dedique a las membranas orgánicas, o las hormonas esteroideas: andrógenos, estrógenos, progestágenos, glucocorticoides y mineralocorticoides).

Isoprenoides: el beta-caroteno o vitamina A es un isoprenoide más sencillo que el Colesterol, lo que permite apreciar su naturaleza de polímero en las repeticiones de su estructura antisimétrica. Sin embargo, este último también es un polímero, aunque no lo parezca por su estructura de múltiples anillos. Las hormonas esteroideas y las sales biliares surgen a partir de modificaciones sencillas de esta estructura.

Fosfolípidos.

Antes expliqué los acilglicéridos y su estructura. Pues bien, los fosfolípidos tienen una estructura similar sólo que el C3 presenta una molécula de fosfato esterificando. El fosfato, además, esterifica por su otro extremo con diferentes tipos de moléculas, como alcoholes, aminas, aminoácidos u otros. Estos son los lípidos que forman la mayor parte de las membranas biológicas.

FosfatidilSerina: uno de los fosfolípidos más comunes de las membranas biológicas.

Esfingolípidos.

Los Esfingolípidos se forman por la unión de un ácido graso a una molécula de esfingosina (un aminoalcohol de cadena larga complejo). En este caso, el ácido graso une a la esfingosina a través de un enlace amino (con desprendimiento de una molécula de agua) en el carbono C2 de la esfingosina. En el carbono C1 (que porta el grupo hidroxilo/alcohol), se esterifica una molécula directamente o bien una de fosfato que, como en el caso de los fosfolípidos, puentea con su otro extremo diferentes tipos de moléculas.

Los esfingolípidos también forman parte de las membranas biológicas y por su estructura particular tienen propiedades que afectan al desarrollo local de la misma. Quedaos con esta idea, ya que los dominios locales de las membranas es algo fundamental para entender la biología celular.

Ceras.

Las ceras son ácidos grasos unidos a alcoholes de elevado peso molecular por enlace éster. Normalmente son productos de revestimiento de superficies de tejidos para protegerlos de la deshidratación o de otros fenómenos asociados al agua.

Estéridos.

Los estéridos no son un grupo per se sino una denominación genérica de los ésteres de ácidos grasos y colesterol que se forman en el organismo en diferentes circunstancias y que mencionaré en más profundidad cuando me refiera a las lipoproteinas.


Generalidades Clave de los Lípidos.

Una de las cuestiones fundamentales de los Lípidos, tomando como modelo los ácidos grasos es que presentan un caracter anfipático, es decir, uno de sus extremos es apolar y el otro extremo es polar. Esto es importantísimo en un medio biológico compuesto por agua, que es el medio polar por excelencia. Fundamentalmente, los lípidos presentan una bajísima proporción de grupos polares (alcohol, oxígeno, sulfhidrilo) respecto al esqueleto hidrocarbonado (el Carbono unido a Hidrógeno carece de carga eléctrica resultante), lo que resulta en una disposición espacial particular de los lípidos en el medio acuoso. Todo ello lo trataremos en profundidad en el capítulo dedicado a las membranas biológicas.


*No he comentado nada acerca de las orientaciones de los dobles enlaces antes pero lo haré aquí: los dobles enlaces pueden ser cis o trans, lo que se debe a que son más rígidos que los simples y no permiten girar los átomos de carbono con libertad. En los enlaces cis, las estructuras en los átomos de carbono a ambos lados del doble enlace están en el mismo lado, mientras que en el trans lo están en lados opuestos. Eso se aprecia en la figura (agrandad para verlo mejor), en la que los carbonos contíguos al 9 y al 10 del ácido oléico (el 8 y el 11) se hallan en el mismo lado del plano y por eso la molécula se dobla. En en caso de que el ácido oléico fuera trans en el enlace doble del carbono C9, la distancia entre C9 y C10 sería menor y la molécula recta como la de palmítico. Esto es sólo importante a los efectos de que no hay ácidos grasos biológicos con enlaces trans, sólo aquellos productos de la actividad humana, como los producidos por hidrogenación de ácidos grasos insaturados de vegetales para fabricar margarinas.

Biomoléculas (II).

En la entrada anterior concluí comentando la importancia de los dos tipos principales de moléculas inorgánicas que se hayan presentes en los seres vivos. No me he referido a los gases pero de ellos nos ocuparemos más adelante, ya que son bastante aburridos a nivel descriptivo (son compuestos sencillos) y su importancia es mucho más funcional, así que será más apropiado mencionarlos en las entradas correspondientes sobre el metabolismo o la fisiología.

En esta entrada, por fin, entraremos en las auténticas biomoléculas, aquellas moléculas orgánicas que son sintetizadas y degradadas por los seres vivos. Elegir un grupo cualquiera de ellas es un poco complicado porque todas tienen su propio papel y relevancia, pero por la naturaleza química más sencilla he optado por los glúcidos. Además, en realidad ningún grupo es completamente exclusivo y puro pero este grupo presenta menor número de elementos y su complejidad no es tan elevada en número de elementos (con excepciones, como siempre en biología, pero eso lo explicaré más adelante).

Naturaleza Química.

Los glúcidos también se han denominado hidratos de carbono o azúcares. El primer nombre deriva de su estructura compuesta por carbono, oxígeno e hidrógeno y el segundo de los glúcidos que antes conoció el hombre. Naturalmente, las cosas no son tan simples y el primer nombre se considera desfasado y restrictivo, mientras que el segundo es inapropiado porque muchos de los glúcidos conocidos no son dulces ni parecidos al azúcar. Glúcidos es un nombre genérico que viene del vocablo griego glykos (azúcar) y adoptado como solución de compromiso.

El grupo comprende moléculas de diferente tamaño, tanto en la longitud de la cadena carbonada (el esqueleto de cada molécula sencilla está formada por entre 3 y 6 átomos de carbono) como en el número de moléculas sencillas que forman cada polímero, pues la mayoría de los glúcidos que conocemos son fibras o cadenas compuestas por muchas moléculas sencillas. Los glúcidos más sencillos son monosacáridos, éstos se unen para formar disacáridos y polisacáridos (cuando el número de moléculas sencillas es cuatro o más). Además, los polímeros pueden ser homo o heteropolímeros, ya que los monosacáridos que los componen no tienen porque ser iguales entre sí. Esto les proporciona una gran flexibilidad funcional, como ya se verá en entradas posteriores.

La naturaleza química de los monosacáridos es la de aldehidos o cetonas (esencialmente un átomo de carbono unido a un átomo de oxígeno mediante un doble enlace en posición terminal o interior, respectivamente, de la cadena carbonada) muchas veces acompañados por grupos alcohol (un átomo de oxígeno unido a un átomo de hidrógeno y a uno de carbono), aunque son más habituales las aldosas que las cetosas. Esta estructura tiene dos características fundamentales: son compuestos polares, por lo que se disuelven facilmente en el agua; y pueden formar enlaces internos cuando tienen más de cuatro carbonos. Estos enlaces internos hacen que se formen anillos cíclicos con el átomo de oxígeno en el plano del anillo y son la forma habitual de la mayoría de glúcidos en los organismos vivos, como la glucosa o la fructosa, y en la que aparecen polimerizando. Importante: el carbono C1, que une el átomo de oxígeno del anillo, recibe el nombre de carbono anomérico. Este carbono suele presentar un grupo hidroxilo/alcohol, que queda por encima (en posición beta) o por debajo (posición alfa) del plano del anillo y es importante para la formación de polímeros, como explico más abajo.

Aldosa y Cetosa en forma lineal.

Isómero D (dextrógiro) e isómero L (levógiro) del mismo monosacárido (Gliceraldehido) determinado por el hidroxilo en posición C2.

Cierre del Anillo cíclico interno de la Ribosa (componente de los ácidos nucléicos).

Dos anillos cíclicos diferentes para una misma molécula lineal con dos isomerías distintas.

También, muchos de estos monosacáridos tienen formar oxidadas y reducidas. Las formas oxidadas más habituales son aquellas formas de ácidos orgánicos en las que el grupo alcohol/hidroxilo, se halla convertido en grupo ácido orgánico/carboxilo (por ejemplo, el ácido glucónico es un derivado ácido de la glucosa). Las formas reducidas suelen ser no cíclicas y presentan dos crupos hidroxilos terminales (por lo que un grupo aldehido ha sido convertido en grupo alcohol). Este último es el caso de los edulcorantes más habituales, como el manitol o el sorbitol.

Formas Oxidantes de diferentes glúcidos.

Formas reducidas de diferentes glúcidos y un aminoglúcido.

Antes mencioné que los glúcidos presentan sólo los tres elementos básicos de la química orgánica, sin embargo, hay modificaciones a esta norma. Existen aminoglúcidos y sulfoglúcidos, en los que aparecen, respectivamente, el nitrógeno (N) y el azufre (S). En los aminoglúcidos el grupo amino (un nitrógeno con dos hidrógenos unido a un carbono del esqueleto de la molécula) es el que aparece sustituyendo un grupo alcohol/hidroxilo, como en el caso de la Glucosamina y de la Galactosamina; mientras, en los sulfoglúcidos, aparece unido el grupo sulfato (un átomo de azufre con cuatro átomos de oxígeno y carga negativa, como un anión, unido al esqueleto carbonado), aunque este caso requiere un proceso de modificación de los glúcidos a nivel celular que ya comentaremos en otra entrega posterior.

Polimerización y grupos.

Los monosacáridos forman polímeros mediante unión entre sí por enlaces glucosídicos. Los enlaces glucosídicos se forman entre el carbono C1 de un anillo y el carbono C1,C4 o C6 del siguiente puenteado por un átomo de oxígeno, por lo que se denominan enlaces o-glucosídicos. Estos enlaces se producen, normalmente, mediando desprendimiento de una molécula de agua, de ahí que los grupos hidroxilo tengan una gran relevancia para la reactividad de estas moléculas. Sin embargo, también se pueden formar enlaces n-glucosídicos, en los que el puente entre monosacáridos es el átomo de nitrógeno, desprendiéndose también una molécula de agua. La posición alfa o beta del carbono anomérico en cada enlace del polímero es clave y, en los homopolisacáridos, es estereotipada, es decir: en los compuestos conocidos los enlaces de un dímero al siguiente no cambian, sino que son regulares.

Un enlace O-glucosídico tipo beta(1-4).

Un ejemplo típico de este estereotipado es el almidón, el glúcido de reserva energética en vegetales, que presenta dos tipos de cadena, amilosa y amilopectina. La amilosa es una cadena lineal de glucosas unidas por enlaces alfa(1-4); la amilopectina es una cadena similar con enlaces alfa(1-4) y cada 12 a 20 glucosas presenta una ramificación alfa(1-6). La estructura espacial de este polisacárido es diferente para cada tipo de cadena y esa disposición espacial influye en su plegado y acumulación en la célula pero también en su reprocesamiento para liberar la glucosa y poder utilizarla en el metabolismo. Sin embargo, no todos los polisacáridos cumplen funciones energéticas, ya que algunos de ellos, gracias a esa geometría de los enlaces entre monosacáridos, forman polímeros estructurales, como en el caso de la celulosa. El simple cambio de orientación en los enlaces (1-4) entre glucosas de alfa a beta, hace que este polímero posea unas características estructurales y físicas completamente diferentes y forme así la dura, tenaz y resistente Pared Celular Vegetal de la mayoría de células vegetales que hace que nuestras lechugas tengan esa textura tan crujiente y tanta fibra (por no hablar de la producción de papel). Y para comentar un ejemplo propio de animales, la Quitina, el polímero que forma los caparazones de prácticamente todos los insectos, es también un homopolímero formado por N-acetil-beta-glucosamina.

Los heteropolisacáridos, en contraste, disponen sus monómeros con un patrón de enlaces que varía de uno al siguiente (aunque se repite, lo que viene de que se sintetizan a partir de disacáridos) y suelen tener un alto índice de aminoglúcidos. Se presentan, sobre todo, en la matriz extra/intercelular, el tejido conjuntivo y el cartílago, proporcionando viscosidad y lubricación: actúan reteniendo agua y formando enlaces con proteínas estructurales de esos mismos tejidos.

El último grupo estructural de glúcidos es el de los Péptidoglucanos. Se trata de péptidoglucanos formados por cadenas de polisacáridos dispuestos en paralelo unidos por cadenas polipeptídicas. Los péptidoglucanos son exclusivos de procariotas (bacterias), formando parte de la Pared Celular Bacteriana y con una gran importancia en su patogenicidad.

Papeles Funcionales.

Los glúcidos son fundamentales en los siguientes papeles:
-Energético.
-Estructural.
-Señalización y Comunicación Biológica.
En posteriores entregas podréis leer sobre estos papeles en detalle, pero por el momento esto debe servir de referencia.

Nuestra próxima entrega estará dedicada a los lípidos.

Post Scriptum: he añadido un enlace a la lista, el de la revista Annals of Improbable Research (Anales de Investigación Improbable, insertad vuestro chiste escatológico aquí, por favor. No, en serio, hacedlo aquí).

Suplemento de Química Orgánica.

Para poder llevar con más ligereza los capítulos posteriores me he planteado el publicar un pequeño suplemento listando los grupos principales de las química orgánica. Ayuda en todo esto el considerar la química orgánica como montar y desmontar puzzles, ya que, en el fondo, la cantidad de elementos que entran en juego es limitada y las reglas son claras y evidentes. Además, no voy a entrar en la formulación IUPAC (la Unión Internacional para la Química Aplicada), sino en la nomenclatura de los grupos de química orgánica para que podais identificar aquellos sobre los que escribiré en las entradas posteriores.

La primera consideración es que en la química orgánica, y por extensión la bioquímica, el Carbono es el elemento clave, formando un esqueleto en cada molécula sencilla en la que los átomos de carbono se hallan unidos entre sí por enlaces simples (alcanos), dobles (alquenos) o triples (alquinos), todos ellos hidrocarburos. Como ya comenté en la primera entrada sobre Biomoléculas, los electrones de los orbitales más externos de los diferentes átomos son compartidos entre sí para alcanzar la estabilidad electrónica. En el caso del carbono, faltan 4 electrones para alcanzar los ocho que garantizan la estabilidad, por lo que habría que imaginar los electrones de la capa de valencia como cuatro puntos alrededor del átomo de carbono. Al colocar un átomo de hidrógeno cerca del átomo de carbono, éste posee un electrón que compartir y por lo tanto se pueden unir los dos puntos/electrones con una línea para identificar un par electrónico. Hacemos lo propio con otros tres átomos de hidrógeno y ya tenemos cuatro líneas/pares electrónicos alrededor del átomo de carbono, lo que nos ofrece la estabilidad electrónica buscada con ocho electrones (y nos daría el metano, gas de todos conocido, sobre todo después de una buena fabada).

Siguiendo este método, se puede hacer lo mismo con el resto de átomos, más o menos como si fuera un puzzle, como contaba, lo único que hace falta es saber el número de electrones en la capa de valencia de los diferentes átomos que aparecen en la química orgánica. Así, el oxígeno tiene dos electrones libres, el nitrógeno tiene tres, el azufre tiene dos (excepto en forma de sulfato, que tiene ocho pero séis están compartidos con átomos de oxígeno) y los halógenos (Fluor, Cloro, Bromo, Yodo) tienen un electrón suelto. Una vez asumidas estas reglas (ayuda revisar la Tabla Periódica. En esta que enlazo, en la esquina superior derecha de cada elemento podéis ver las diferentes capas de electrones, la última es la que está más abajo y, por tanto, la de valencia) podemos pasar a identificar los grupos de química orgánica.

Grupos Funcionales de Química Orgánica:
(IMPORTANTE: los guiones indican el electrón libre del carbono por el que cada grupo puede enlazar al esqueleto carbonado. R representa un esqueleto carbonado o radical cualquiera y los números son subíndices. Cuando un Carbono va entre paréntesis se refiere a que no está en posición terminal: los grupos funcionales tienen prioridad en la nomenclatura y numeración de los carbonos, siendo los carboxilos los más importantes, luego los aldehidos, etc. En bioquímica es menos importante porque los esqueletos carbonados se hacen enormes y es más facil usar nombres propios/tradicionales pero señalaré la numeración de los carbonos cuando sea preceptivo)

Ácido Orgánico/Carboxílico o Grupo Carboxilo: -COOH (el carbono une dos electrones a un átomo de oxígeno y el otro un átomo de oxígeno unido a un átomo de hidrógeno).

Ácido Sulfónico: -SO3H

Sales: -COOM / -(C)OOM (el átomo M es de un metal o metaloide monovalente (un solo electrón en su capa más externa, como Sodio o Potasio)

Ésteres: -COOR /-(C)OOR (el átomo de oxígeno unido al carbono por un solo electrón une por su otro extremo a un esqueleto carbonado).

Haluros de ácido: -CO-Hl (halógeno) / -(C)O-Hl

Amidas: -CO-NH2 / -(C)O-NH2

Amidinas: -C(=NH)-NH2 / -(C)(=NH)-NH2

Nitrilos/Cianuros: -CN / -(C)N

Aldehidos: -CHO

Cetonas: R1-(C=O)-R2 (los dos enlaces del átomo de Carbono unen a dos átomos de carbono del esqueleto de la molécula. Las cetonas se oponen a los aldehidos en que estos últimos se forman en los extremos de la molécula (primer o último carbono).

Alcoholes/Hidroxilos: -OH

Tioles: -SH

Hidroperóxidos: -O-OH

Aminas: -NH2

Iminas: =NH

Éteres: -O-R

Sulfuros: -SR

Peróxidos: -O-OR

Nitros: -NO2.


Referencias:

Química Orgánica.


Agradecimientos: a Pilar por la sugerencia de los resaltes en negrita.

Biomoléculas (I).

Esta entrada tiene el propósito de introducir los sillares elementales de la vida, las biomoléculas, de una forma comprensible. Es dificil de hacer a palo seco pero trataré de hacerlo lo más facil posible. Aún así, en algunos casos, como principios de física o química que referiré aquí y en otros artículos posteriores, sugiero a los lectores que o bien hagan un acto de fe (y me crean tal cual les cuento) o que se documenten por otras fuentes. Pero ahora pasemos al tema que nos ocupa.

Los principales grupos de biomoléculas son los siguientes:
-Glúcidos.
-Lípidos.
-Proteínas.
-Ácidos Nucleicos.
A estos cuatro grupos hay que sumar el agua y los electrolitos, átomos cargados o iones, de ciertos elementos (sobre todo metales y metaloides) y gases, como el dióxido de carbono y el oxígeno.

Agua y Electrolitos:

El agua, no siendo una biomolécula, es fundamental para la vida, supone el medio en el que ocurren todas las reacciones de la vida y además participa activamente en muchas de ellas como substrato, intermedio de transporte de electrones y protones o como producto. Sin el agua, la vida no ocurriría. Practicamente casi todas las propiedades del agua tienen que ver con las propiedades físicas de la misma molécula. Aquellos que han pasado por la educación primaria normalmente conocen la formula química del agua: dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. La estructura geométrica de esta molécula es clave en las propiedades del agua, fundamentalmente, tiene forma triangular, con el oxígeno en un vértice y los dos átomos de hidrógeno en los otros dos. Esto tiene relación con la electronegatividad de los átomos de oxígeno y de hidrógeno.

En este punto hablaremos de la electronegatividad por su importancia posterior.

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Los átomos de todos los elementos conocidos tienen diferente electronegatividad, una propiedad que deriva del número de electrones en las capas superiores. Normalmente, todos los átomos de un elemento tienen carga eléctrica neutra: los protones y los electrones están compensados (y de hecho el número de protones, el número atómico, es igual al de electrones). Sin embargo, en las últimas capas, los electrones determinan la electronegatividad, una carga aparente, por así decir, que genera efectos de atracción y de repulsión electrostática entre los átomos que componen una molécula.

La diferente electronegatividad viene de la tendencia de unos átomos u otros a retener los electrones en sus orbitales superiores. Sin adentrarnos mucho en la teoría cuántica de la estructura atómica: el número de electrones en la última capa de orbitales de un átomo tiende a una estabilidad en torno a ocho (salvo el Helio, al que le basta con dos), que es el caso de los gases nobles. Los gases nobles no reaccionan en ningún caso porque su última capa de orbitales presenta esos ocho electrones y es estable. Los átomos de otros elementos, precisamente, reaccionan con otros átomos para alcanzar esa estabilidad al introducir electrones del otro átomo en sus propios orbitales o cederlos al otro y así quedar en equilibrio. El motivo por el que no se separan convertidos en un átomo del elemento inmediatamente superior o inferior (el del gas noble más próximo, vaya) es que sus protones no pueden compensar la diferencia de carga tal cual y quedan entrelazados en una molécula, de modo que en realidad los electrones son compartidos.

Por poner ejemplos: al oxígeno le faltan dos electrones en su última capa para tener la configuración electrónica del Neón, mientras que al Sodio le sobra un electrón para tener esa misma configuración electrónica. Lógicamente, un átomo de oxígeno reaccionará con dos átomos de sodio para producir monóxido de sodio, que será electronicamente estable. Las posiciones en la Tabla Periódica de los Elementos señalan esos electrones de más o de menos de la última capa de orbitales (que normalmente son referidas como capa de valencia).

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La estructura geométrica de la molécula de agua, pues, es un producto de esta propiedad de la electronegatividad. El oxígeno es muy electronegativo y el hidrógeno muy electropositivo (de hecho es un solo protón junto a un solo electrón), por lo que el oxígeno tiene a atraer hacia sí los electrones y a dejar los protones más o menos desnudos. Normalmente, si las cargas estuviesen enquilibradas entre los átomos de hidrógeno, el ángulo entre ambos sería de 60º, como en un triángulo equilátero, pero al estar desnudos y presentar carga positiva por ser sólo protones, el ángulo es más abierto porque se repelen entre sí (de unos 109º, si no falla mi memoria). Sin embargo, se produce un fenómeno más importante aún que ése: la molécula de agua es dipolar, posee un polo de carga negativa y dos polos de carga positiva. Esto es esencial para comprender los fenómenos biológicos.

Figura 1. La molécula de agua (delta indica carga relativa en la molécula).

Como consecuencia más directa de la naturaleza dipolar del agua está, aparte de que el agua sea un líquido, el hecho de que las sales en disolución se disponen de forma iónica: por ejemplo, el cloruro de sodio (NaCl), la sal marina que todos empleamos en cocina, al disolverlo en agua se divide en iones de sodio con carga positiva (cationes) y de cloro con carga negativa (aniones). Esta división ocurre porque el agua solvata las moléculas de la sal y la carga eléctrica de cada dipolo equilibra la carga descompensada de cada átomo de la sal por separado (pero cuidado: no se forma un enlace covalente, es decir, no se comparten o intercambian electrones). La enorme importancia de este fenómeno radica en que el agua es un medio en el que se pueden mover cationes y aniones, generando diferencias de potencial eléctrico, compensando cargas y sirviendo de intermediarios de transporte electrónico claves para un gran número de procesos bioquímicos.

Figura 2. Disposición de las moléculas de agua entre sí.

Figura 3. Disposiciones posibles de las moléculas de agua en presencia de cationes sodio y aniones cloro procedentes de la sal marina.

Los electrolitos, los cationes (Calcio, Sodio, Potasio, Magnesio, Manganeso, Hierro, Amonio) y aniones (Cloro, Fosfato, Sulfato, Sulfuro) clave, son, en más de un caso, imprescindibles para la vida y posibilitan las reacciones básicas que hacen que estemos aquí, además de toda una serie de procesos fisiológicos tan importantes como la transmisión nerviosa. Aunque sólo estemos hablando de compuestos y moléculas inorgánicas, su relevancia para los seres vivos es incalculable.

P.S.: las figuras que publicaré a partir de ahora serán manuscritas, así que no me tengáis muy en cuenta el que no sean muy claras o detalladas. Escanearía directamente las buenas de algunos de mis libros de referencia pero tampoco me cuesta mucho y no quiero meterme en líos de derechos de autor y todo eso.



Referencias elementales:

Química Básica para entender la Bioquímica. The Biology Project, Universidad de Arizona.