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.