BIOELEMENTOS Y BIOMOLCULAS. AGUA, CARBOHIDRATOS, LPIDOS, PROTENAS Y ACIDOS NUCLECOS LAS BASES QUMICAS DE LA VIDA

Como todo lo que existe en nuestro planeta, los seres vivos estn compuestos por tomos y molculas. En los seres vivos estos elementos bsicos estn organizados de una manera muy especfica; adems, los tomos y las molculas tambin interactan unos con otros en una forma muy precisa, de manera que mantienen el flujo de energa necesario para la vida. Gran parte de la Biologa moderna se apoya en la Biologa Molecular: esto es, la qumica y fsica de las molculas que constituyen los seres vivos.

A medida que los bilogos moleculares descubren nuevos datos acerca de las molculas biolgicamente importantes, de las reacciones metablicas y del cdigo gentico (mecanismo molecular de transmisin de la informacin gentica), nuestro entendimiento de los organismos vivos se ha incrementado en forma notable. Como consecuencia de ello han surgido dos generalizaciones importantes: 1. A pesar de la biodiversidad, la composicin qumica y los procesos metablicos de todos los seres

vivos son notablemente similares. Esto explica por qu gran parte de lo que los bilogos aprenden estudiando bacterias o ratones en los laboratorios puede aplicarse a otros organismos, incluyendo al ser humano.

2. Los principios fsicos y qumicos que rigen a los sistemas vivos son los mismos que rigen a los

sistemas abiticos (no vivos). BIOELEMENTOS

Alrededor del 98% de la masa de un organismo est formada por slo seis elementos: oxgeno, carbono, hidrgeno, nitrgeno, calcio y fsforo. Hay unos 14 elementos ms que se presentan de manera constante en los seres vivos, aunque en cantidades reducidas, por lo que habitualmente se los denomina oligoelementos (oligos = reducido) debido a que estn presentes en cantidades diminutas. En los cuadros 2.1. y 2.2. se presenta una lista de los elementos que se encuentran en el cuerpo humano, mencionando la importancia de cada uno 1.

Cuadro 2.1. Elementos mayores presentes en el cuerpo humano

Nombre masa % Importancia o funcin

Oxgeno 65 Necesario para la respiracin celular; presente en casi todos los compuestos orgnicos; forma parte del agua

Carbono 18 Constituye el esqueleto de las molculas orgnicas; puede formar cuatro enlaces con otros tantos tomos

Hidrgeno 10 Presente en la mayora de los compuestos orgnicos; forma parte del agua

Nitrgeno 3 Componente de todas las protenas y cidos nucleicos y de algunos lpidos

Calcio 1,5 Componente estructural de los huesos y dientes; importante en la contraccin muscular, conduccin de impulsos nerviosos y coagulacin de la sangre

Fsforo 1 Componente de los cidos nucleicos; componente estructural del hueso; importante en la transferencia de energa. Integra los fosfolpidos de la membrana celular.

1 Los valores pueden sufrir algunas modificaciones en el caso de otros organismos. En los vegetales (sin sistema seo ni nervioso y carentes de sangre) el calcio reduce su importancia relativa.

Cuadro 2.2. Principales Oligoelementos presentes en el cuerpo humano

Potasio 0.4 Principal ion positivo (catin) del interior de las clulas; importante en el funcionamiento nervioso; afecta a la contraccin muscular

Azufre 0,3 Componente de la mayora de las protenas

Sodio 0,2 Principal ion positivo del lquido intersticial (tisular); importante en el equilibrio hdrico del cuerpo; esencial para la conduccin de impulsos nerviosos

Magnesio 0,1 Necesario para la sangre y los tejidos del cuerpo; forma parte de muchas enzimas

Cloro 0,1 Principal ion negativo (anin) del lquido intersticial; importante en el equilibrio hdrico

Hierro trazas Componente de la hemoglobina y mioglobina; forma parte de ciertas enzimas

Yodo trazas Componente de las hormonas tiroideas

EL AGUA Y SUS PROPIEDADES

Una gran parte de la masa de casi todos los organismos es simplemente agua. En los tejidos

humanos el porcentaje de agua es variable: desde un 20% en los huesos hasta el 85% en las clulas cerebrales. El contenido de agua es mucho mayor en las clulas embrionarias y juveniles, y disminuye con el envejecimiento. Cerca de 70% del peso total del cuerpo est formado por agua2, y alcanza hasta 95% en una medusa o en ciertas plantas. El agua no slo es el principal componente de los organismos, sino tambin uno de los factores ambientales ms importantes que los afectan. Muchos organismos viven en el mar o en los ros, lagos y lagunas de agua dulce. Las propiedades fsicas y qumicas del agua han permitido a los seres vivos aparecer, sobrevivir y evolucionar en este planeta.

El agua disuelve muchos tipos diferentes de compuestos en grandes cantidades. Debido a sus propiedades como solvente (disolvente) y a la tendencia de los tomos de ciertos compuestos de formar iones al estar en solucin, desempea un cometido importante al facilitar las reacciones qumicas. El agua disuelve a las sales como el cloruro de sodio mediante hidratacin y estabilizacin de los iones

Cl y Na+, como consecuencia de la reduccin de las interacciones inicas que existen entre ellos. Las biomolculas no cargadas pero polares como los azcares se disuelven fcilmente en agua

debido al efecto estabilizador de los muchos puentes de hidrgeno que se forman entre los grupos hidroxilo o el oxgeno carbonlico del azcar y las molculas polares del agua.

En s misma, el agua es un reactante o producto de muchas reacciones qumicas que ocurren en los tejidos vivos, acta como reactante en el proceso de fotosntesis y es uno de los productos en la reaccin general de la respiracin. Tambin es la fuente del oxgeno del aire (como consecuencia de la fotosntesis que realizan las plantas) y sus tomos de hidrgeno se incorporan a muchos de los compuestos orgnicos presentes en los cuerpos de los seres vivos. Por otra parte el agua se produce en todas las reacciones de condensacin que dan lugar a las macromolculas ms importantes (polisacridos, protenas y cidos nucleicos) y como reactivo interviene en las reacciones opuestas de hidrlisis que catalizan los distintos tipos de hidrolasas (enzimas hidrolticas) y que dan como resultado la produccin de monosacridos, aminocidos y nucletidos, respectivamente.

Tambin el agua es un lubricante de importancia. Se la halla en los lquidos del cuerpo dondequiera que un rgano se frote contra otro, as como en las articulaciones de los huesos. Fuerzas de cohesin y adhesin

El agua manifiesta los fenmenos de cohesin y adhesin. Sus molculas presentan una fuerte tendencia a unirse entre s (cohesin), debido a la presencia de puentes de hidrgeno entre ellas. Dichas molculas tambin se adhieren a otras sustancias (p. ej. aquellas sustancias que tienen en su superficie

2 Dado que la relacin O:H en peso en el agua es 8:1, el 70% del peso de agua corresponde a un 62,2% de oxgeno y a un 7,8% de hidrgeno, lo que explica los porcentajes volcados en el cuadro 1, que indica que el oxgeno es el elemento ms abundante en peso (65%) y que el hidrgeno contribuye con un 10%.

grupos de tomos o molculas cargados). Estas fuerzas de adhesin explican por qu el agua moja algunas cosas.

Las fuerzas de adhesin y cohesin explican la tendencia del agua a ascender por los tubos de vidrio de calibre muy pequeo (tubos capilares), fenmeno que recibe el nombre de capilaridad. Las fuerzas de adhesin atraen las molculas de agua hacia los grupos cargados presentes en las superficies del tubo. Luego, otras molculas presentes en el interior del tubo son "arrastradas" por las fuerzas de cohesin (los puentes de hidrgeno que hay entre las molculas del agua). En tubos de mayor dimetro hay un menor porcentaje de molculas de agua adheridas al vidrio en relacin al nmero de molculas de agua que hay en la superficie, por lo cual las fuerzas de adhesin no son suficientemente fuertes como para contrarrestar las fuerzas de cohesin del agua que est por debajo del nivel de la superficie del recipiente, de modo que el agua en el interior del tubo se eleva slo un poco. El agua tambin se mueve en los espacios microscpicos que hay entre las partculas del suelo, de modo que llega hasta las races de las plantas por capilaridad; este mismo fenmeno contribuye al ascenso del agua por los tallos de las plantas hasta llegar a las hojas.

El agua tiene un alto grado de tensin superficial (algunos objetos flotan sobre su superficie) debido a la cohesin de sus molculas, ya que stas se atraen entre s con mayor fuerza que las molculas del aire. De este modo, las molculas de agua de la superficie libre se agrupan, produciendo una fuerte capa debido a la atraccin que ejercen sobre ellas otras molculas de agua situadas por debajo. Este hecho es importante en el caso de las plantas acuticas y en el desarrollo de las larvas de algunos insectos. Estabilizacin de la temperatura

El agua tiene elevado calor especfico; es decir, es muy grande la cantidad de energa necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado centgrado. El alto calor especfico del agua es el resultado de la presencia de puentes de hidrgeno entre sus molculas. El aumento de la temperatura de una sustancia implica la incorporacin de energa calorfica para hacer que sus molculas se muevan ms aprisa, con lo que aumenta la energa cintica de las mismas. Algunos de los puentes de hidrgeno que mantienen juntas a las molculas del agua deben romperse antes de que las molculas puedan moverse libremente. La mayor parte de la energa incorporada al sistema se utiliza en la ruptura de los puentes de hidrgeno, de modo que slo una parte de dicha energa calorfica queda disponible para acelerar el movimiento de las molculas (es decir, para incrementar la temperatura del agua).

Cuando el agua lquida se solidifica y forma hielo, se libera una gran cantidad de calor en el ambiente.

Debido a que se necesita una gran prdida o un gran aporte de calor para reducir o elevar la temperatura del agua, los ocanos y otros grandes cuerpos de agua tienen temperatura ms o menos constante. As, muchos de los organismos que viven en los ocanos cuentan con un medio cuya temperatura es bastante uniforme. El alto contenido de agua de las plantas y animales que habitan en tierra les ayuda a mantener una temperatura interna constante. La velocidad de las reacciones qumicas resulta muy afectada por la temperatura, ya que en general se duplica por cada aumento de 10 C. Las reacciones de importancia biolgica slo ocurren entre lmites muy estrechos de temperatura, y el agua ayuda a minimizar las fluctuaciones de temperatura.

Puesto que sus molculas se mantienen unidas por puentes de hidrgeno, el agua tiene un elevado calor de vaporizacin. Debido a que el agua absorbe calor al cambiar del estado lquido al gaseoso, el cuerpo humano puede disipar el exceso de calor por la evaporacin del sudor, y una hoja se mantiene fresca, en presencia de una luz intensa, evaporando agua en su superficie. La capacidad que tiene el agua de conducir rpidamente el calor hace posible la distribucin uniforme del calor a lo largo de un cuerpo. Sus propiedades son esenciales para estabilizar la temperatura en la Tierra. Su cantidad en la superficie de la Tierra es enorme; esta gran masa resiste tanto el efecto de la elevacin de la temperatura como el de la disminucin de sta.

Densidad del agua Los puentes de hidrgeno contribuyen con otra importante propiedad del agua. Mientras que la

mayor parte de las sustancias aumentan su densidad conforme disminuye su temperatura, el agua alcanza su mayor densidad a los 4C y luego, cuando la temperatura disminuye an ms, comienza a expandirse nuevamente (hacindose menos densa). El agua se expande al tiempo que se solidifica porque los puentes de hidrgeno en las molculas de agua del enrejado cristalino mantienen a estas molculas lo suficientemente separadas como para dar al hielo una densidad 10 % menor que la densidad del agua. Como resultado de esto, el agua slida o hielo flota dentro del agua fra, que es ms densa. Cuando el hielo se ha calentado lo suficiente como para aumentar su temperatura por arriba de 0C, los puentes de hidrgeno se rompen y las molculas de agua tienen libertad para acercarse unas a otras. La densidad del agua alcanza su punto ms alto a los 4C, temperatura por arriba de la cual comienza a expandirse nuevamente mientras la velocidad de sus molculas aumenta.

Esta propiedad excepcional del agua ha sido el factor ms importante en la aparicin, supervivencia y evolucin de la vida en la Tierra. Si el hielo tuviera una densidad mayor a la del agua se hundira y al final todas las lagunas, lagos e incluso los ocanos se congelaran desde el fondo hasta la superficie haciendo imposible la vida. Cuando un cuerpo de aguas profundas se enfra, se forma en su superficie una capa de hielo flotante. El hielo asla el agua lquida que se encuentra por debajo de l, evitando as el congelamiento de sta y permitiendo que una gran variedad de animales y plantas sobrevivan por debajo de la superficie de hielo. SALES

Las clulas y los lquidos extracelulares de las plantas y animales (como la savia y la sangre) contienen una variedad de sales disueltas, entre las que se incluyen muchos iones minerales de importancia. Tales iones son esenciales tanto para el equilibrio hdrico como para el equilibrio cido-base y, en el caso de los animales, para el funcionamiento de nervios y msculos, la coagulacin de la sangre, la formacin de huesos y muchos otros aspectos del funcionamiento del cuerpo. Sodio, potasio, calcio y magnesio son los principales cationes presentes, mientras que cloruros, bicarbonato (HCO3-), fosfato (PO43-) y sulfato (SO42-) son aniones importantes (cuadro 2-3).

Los lquidos del cuerpo de los animales terrestres difieren considerablemente del agua marina en lo que se refiere al contenido total de sales. Sin embargo, se parecen al agua de mar en el tipo de sales presentes y en su abundancia relativa. La concentracin total de sales en los lquidos del cuerpo de la mayora de los animales invertebrados marinos es equivalente a la del agua de mar, de aproximadamente 3,4%. Los vertebrados, sean terrestres, dulceacucolas o marinos, tienen menos de 1% de sal en los Iquidos de su cuerpo.

La mayora de los bilogos creen que la vida surgi originalmente en el mar. Las clulas de esos primeros organismos se adaptaron y funcionaron de manera ptima en presencia de ese conjunto de sales. Conforme fueron apareciendo animales de mayor tamao y se originaron los lquidos del cuerpo, esa combinacin de sales se conserv, incluso a pesar de que algunos de los descendientes de los animales primigenios emigraron hacia el agua dulce y la tierra. Algunos animales adquirieron evolutivamente riones y otros rganos, como las glndulas de sal, que retienen selectivamente ciertos iones y secretan otros, de modo que los lquidos del cuerpo adquirieron concentraciones de sales un tanto diferentes. La concentracin de cada ion est determinada por las velocidades relativas de absorcin y excrecin por parte del organismo. Aunque es pequea la concentracin de sales en las clulas y los lquidos del cuerpo de las plantas y animales, dicha cantidad es de gran importancia para el funcionamiento normal de las clulas. Las concentraciones de los cationes y aniones respectivos permanecen notablemente constantes en condiciones normales. Cualquier cambio significativo da por resultado un trastorno de las funciones celulares y, en ltima instancia, la muerte. COMPUESTOS ORGNICOS

La mayor parte de los compuestos qumicos presentes en los seres vivos contienen esqueletos de carbono con enlaces covalentes. Estas molculas se denominan compuestos orgnicos, porque en

algn tiempo se pens que slo eran producidos por seres vivos. Algunos compuestos de estructura muy simple, incluyendo al dixido de carbono y los que contienen carbonato (C032-), se clasifican como compuestos inorgnicos a pesar de contener carbono.

Los compuestos orgnicos constituyen el principal componente estructural de clulas y tejidos. Participan en infinidad de reacciones metablicas y proveen energa para los procesos de la vida. En un gran nmero de compuestos el eje o esqueleto principal est formado por tomos de carbono. Las propiedades poco comunes del carbono permiten la formacin de molculas grandes y complejas, esenciales para la vida. Un tomo de carbono tiene un total de seis electrones, dos de estos en el primer nivel de energa y cuatro en el segundo. Con cuatro electrones en su nivel externo de energa, cada tomo de carbono puede formar cuatro enlaces covalentes con otros tomos, incluyendo otros tomos de carbono. Estos tomos forman enlaces covalentes simples muy estables unos con otros. Se pueden formar grandes cadenas de carbono de la siguiente manera:

CCCCC

Dos tomos de carbono pueden compartir, uno con otro, dos pares de electrones, formando

enlaces dobles (CC). En algunos compuestos se pueden formar triples enlaces (CC). Las cadenas de carbono pueden ser ramificadas o no ramificadas. Los tomos de carbono tambin pueden formar anillos cerrados (ciclos).

El tomo de carbono puede unirse con ms elementos distintos que cualquier otro tomo. El hidrgeno, el oxgeno y el nitrgeno son los tomos que con mayor frecuencia se unen a l. Los compuestos orgnicos constituidos por carbono e hidrgeno solamente se llaman hidrocarburos. Aunque estos compuestos no son muy frecuentes en los seres vivos, los combustibles derivados de materiales fsiles son hidrocarburos, provenientes de compuestos orgnicos de especies que vivieron y murieron hace millones de aos.

La configuracin molecular es importante para determinar las funciones de las molculas y sus propiedades biolgicas. Las molculas que contienen carbono adquieren una configuracin tridimensional debido a la naturaleza tetradrica de sus ngulos de enlace. Cuando un tomo de carbono forma cuatro enlaces covalentes simples con otros tomos, los orbitales de electrones en su nivel externo de energa se alargan y proyectan desde el tomo de carbono hacia las esquinas del tetraedro. En este caso, el ngulo

entre dos de los enlaces es de 109,5 . Este ngulo es similar en diversos compuestos orgnicos. Por lo comn hay libertad de rotacin alrededor de cada enlace simple de carbono a carbono. Esta

propiedad permite que las molculas orgnicas sean flexibles y adquieran diversas configuraciones (disposiciones espaciales), segn el grado de rotacin de cada enlace simple. Los enlaces dobles y triples no permiten la rotacin, por lo que las regiones de una molcula en donde se presentan estos tipos de enlaces tienden a no ser flexibles.

BIOPOLMEROS

Muchas molculas de importancia biolgica, tales como los polisacridos, las protenas y los cidos nucleicos, son muy grandes y estn constituidas por cientos o miles de tomos. Estas grandes molculas se denominan macromolculas o polmeros biolgicos (biopolmeros). Las clulas forman polmeros al unir pequeos compuestos orgnicos llamados monmeros. As como todas las palabras de este texto se escriben utilizando las 27 letras del alfabeto en diferentes combinaciones, los monmeros pueden agruparse para formar una variedad casi infinita de molculas ms grandes. Los miles de compuestos orgnicos presentes en la materia viva se construyen a partir de unos 40 monmeros simples y pequeos. Estos pequeos compuestos se combinan en cadenas de subunidades similares. Por ejemplo, los 20 tipos comunes de aminocidos (monmeros) se unen en incontables combinaciones y dan orgenes a los polmeros llamados protenas. Unos pocos monosacridos constituyen las unidades fundamentales de los polisacridos, como el almidn, el glucgeno o la celulosa. Los cidos nucleicos, responsables del mantenimiento de los caracteres hereditarios, son polmeros de nucletidos, que a

diferencia de los anteriores monmeros resultan de la unin de tres molculas distintas: una base nitrogenada, un monosacrido y una molcula de cido fosfrico.

El proceso de sntesis mediante el cual los monmeros se unen por enlaces covalentes se llama condensacin. Durante la combinacin de los monmeros se pierde el equivalente de una molcula de agua: por ello a veces se utiliza el trmino de sntesis por deshidratacin para referirse a este proceso. Sin embargo, en los sistemas biolgicos la sntesis de un polmero no equivale meramente a la inversin del proceso de degradacin (que requiere la adicin de agua). El proceso de sntesis requiere energa y es regulado por diversas enzimas (protenas que regulan la velocidad de las reacciones qumicas).

Cada organismo es caracterstico debido a la diferencia en la secuencia de los monmeros de su ADN, el polmero que conforma sus genes. Las clulas y los tejidos de un mismo organismo tambin difieren debido a variaciones en los polmeros que los constituyen. El tejido muscular es distinto del nervioso, debido a las diferencias en el tipo y secuencia de los aminocidos de sus protenas. Al final, la estructura proteica es determinada por la secuencia de los monmeros que intervienen en el ADN del organismo.

Los polmeros pueden degradarse en sus monmeros mediante hidrlisis (hidros = agua, lisis = ruptura: "romper con agua") catalizada por enzimas especficas, del grupo de las hidrolasas3. Los enlaces entre monmeros se rompen por adicin de agua. Un hidrgeno de la molcula de agua se une a un monmero y el radical hidroxilo restante se une al monmero adyacente. Al discutir cada grupo de compuestos orgnicos se darn ejemplos especficos de hidrlisis y deshidratacin ms detallados. ISMEROS

Los compuestos que tienen la misma frmula molecular pero diferente estructura y, por lo tanto, diferentes propiedades, son denominados ismeros. Los ismeros tienen propiedades fsicas y qumicas distintas, y reciben diferentes nombres comunes. Las clulas pueden distinguir entre dos ismeros, uno de los cuales generalmente es biolgicamente activo, en tanto que el otro no lo es. Hay tres tipos de ismeros: estructurales, geomtricos y enantimeros (ismeros pticos). En los compuestos biolgicos son importantes los dos ltimos tipos de isomera.

Ismeros geomtricos.

Son compuestos idnticos con respecto al arreglo de sus enlaces covalentes, aunque difieren en el orden en el cual los grupos se distribuyen en el espacio. Los ismeros geomtricos, tambin Ilamados cis-trans, se encuentran en algunos compuestos con enlaces dobles de carbono a carbono. Debido a que los enlaces dobles no son flexibles como los simples, los tomos ligados a carbonos en un enlace doble no rotan con libertad alrededor del eje de enlace. El trmino cis indica que los compuestos ms grandes se localizan en un mismo lado del enlace doble. Si estn en lados opuestos del doble enlace el compuesto se denomina ismero trans. La trascendencia biolgica de este tipo de isomera se manifiesta esencialmente en las membranas celulares, que estn compuestas por fosfolpidos. Ismeros pticos

Son molculas que corresponden a una imagen en espejo de otra molcula. Tambin se los denomina enantimeros. Debe recordarse que los cuatro grupos ligados a un tomo simple de carbono se ubican en los vrtices del tetraedro. Si los cuatro grupos son diferentes entre s, el carbono central se llama asimtrico o quiral (del griego keirs = mano). Los cuatro grupos se ubican alrededor del carbono central en dos formas distintas, que constituyen imgenes en espejo la una de la otra. Estas dos molculas son enantimeros si no se sobreponen una con otra, sin importar cuanto se roten en el espacio.

En la actualidad, los enantimeros se denominan L o D segn a la configuracin absoluta de los grupos ligados al tetraedro del tomo de carbono. El compuesto de tres carbonos denominado gliceraldehdo sirve de base para la denominacin de todos los enantimeros. El ismero D de cada

3 Los polisacridos son hidrolizados por distintas carbohidrasas, las protenas por proteasas de distinto tipo y los cidos

nucleicos por nucleasas especficas.

compuesto es aquel cuyo ltimo carbono asimtrico tiene la misma orientacin que el D-gliceraldehdo. Los compuestos relacionados con el L-gliceraldehdo se denominan L-ismeros.

Cuando los qumicos sintetizan compuestos orgnicos en sus laboratorios se produce una mezcla que contiene cantidades iguales de ismeros L y D (racmicos). En las clulas slo se produce uno de los dos enantimeros de un compuesto. Por ejemplo, la mayor parte de los azcares son ismeros D. Aunque tienen propiedades qumicas similares y propiedades fsicas idnticas (excepto en cuanto a la direccin en la cual rotan la luz polarizada en un plano), las clulas distinguen entre dos ismeros: slo uno de ellos es biolgicamente activo. CARBOHIDRATOS

Los carbohidratos tpicos son los azcares, almidones y celulosas. Los azcares y almidones sirven de combustible para las clulas; las celulosas son componentes estructurales de las plantas. Los carbohidratos contienen tomos de carbono, hidrgeno y oxgeno en una proporcin aproximada de un carbono por cada dos hidrgenos y un oxigeno (CH2O). El trmino carbohidrato, que significa "hidrato (agua) de carbono", se origina de la proporcin 2:1 del hidrgeno al oxgeno, que es la misma proporcin que se observa en el agua (H2O). Monosacridos

Los monosacridos son azcares simples que contienen de tres a siete tomos de carbono. Son polialcoholes con funcin aldehdo o cetona. Los carbohidratos ms simples contienen en consecuencia tres tomos de carbono (triosas): el gliceraldehdo, que posee una funcin aldehdo y dos funciones alcohlicas (aldotriosa) y la dihidroxiacetona, con una funcin cetona y dos funciones alcohlicas (cetotriosa). La ribosa es una pentosa comn (aldopentosa) que es componente de los cidos ribonucleicos (ARN); su derivado desoxigenado, la desoxirribosa (que carece de hidroxilo alcohlico en C2) es integrante de los cidos desoxirribonucleicos (ADN).

La glucosa, galactosa y manosa son aldohexosas, en tanto que la fructosa es una cetohexosa.

Las frmulas lineales brindan una

imagen clara, aunque poco realista, de la estructura de los monosacridos ms comunes. Las molculas no son las estructuras simples de dos dimensiones que se ilustran en una pgina impresa. De hecho, las propiedades de cada compuesto dependen en parte de su estructura tridimensional, y las frmulas tridimensionales resultan tiles para comprender las relaciones entre la estructura de una molcula y sus funciones biolgicas.

La disposicin tetradrica adoptada para ilustrar la disposicin espacial de las valencias del tomo de carbono, con un ngulo de valencia de 109,5 , es una clara indicacin de que las frmulas lineales con las que se representa un monosacrido (con un ngulo de 180 entre dos carbonos que se unen a un tercero) no son las ms adecuadas para expresar la realidad de la disposicin espacial. En el caso de la aldohexosa glucosa, el tomo carbono carbonlico (C1) est espacialmente prximo al C5 y tiende a reaccionar formando una estructura cclica de seis tomos (cinco carbonos y un oxgeno) por reordenamiento de los mismos, originando un puente de oxgeno que une C1 con C5. Esta estructura se denomina piransica por analoga con el ncleo pirano. Menos frecuente es la estructura que une al C1 con el C4 para dar una estructura furansica (del furano, heterociclo de cuatro tomos de carbono y un oxgeno). Las estructuras cclicas estn en equilibrio con las lineales, pero con fuerte predominio de las primeras (en la glucosa el 99% est en forma de glucopiranosa). Este hecho explica por qu los monosacridos no dan reaccin positiva con los reactivos generales de identificacin de aldehdos y cetonas.

Cuando la glucosa forma un anillo hay dos formas isomricas posibles, que difieren slo en la orientacin de un grupo -OH. Cuando el grupo hidroxilo unido al carbono 1 est por debajo del plano del

anillo, la glucosa se denomina -glucosa; cuando el radical hidroxilo se encuentra sobre el plano del anillo

el compuesto se llama -glucosa. Esta diferencia aparentemente trivial adquiere tremenda importancia

cuando estas unidades funcionales constituyen polisacridos: la polimerizacin de la -glucosa da lugar al

almidn o al glucgeno, segn se trate de plantas o animales, en tanto que la -glucosa polimerizada origina la celulosa; los primeros son polisacridos energticos, ya que constituyen la sustancia de reserva de plantas y animales, en tanto que la celulosa no es un polisacrido energtico, sino estructural, que forma la parte principal de la matriz extracelular (pared celular) de las clulas vegetales.

La glucosa (C6H12O6), el monosacrido ms comn, es extremadamente importante en los

procesos de la vida. Durante la fotosntesis, las algas y las plantas producen glucosa a partir de dixido de carbono y agua, utilizando luz solar como fuente de energa. Durante la respiracin celular se rompen los enlaces de la molcula de glucosa liberando la energa almacenada para que sta pueda utilizarse en el metabolismo celular. Es tan importante la glucosa en el metabolismo que su concentracin se mantiene cuidadosamente a niveles homeostticos (ms o menos constantes) en la sangre de los seres humanos y en la de otros animales complejos. Otras aldohexosas importantes son la manosa y la galactosa (presente en la leche), en tanto que la principal cetohexosa es la fructosa, que conjuntamente con la glucosa componen el disacrido sacarosa, el azcar comn de mesa. Disacridos

Un disacrido consta de dos monosacridos unidos mediante un enlace covalente. Estos dos ltimos se unen por medio de un enlace glucosdico, que generalmente se forma entre el C1 de una molcula y el C4 de la otra molcula. La maltosa (azcar de malta) consta de dos molculas de glucosa unidas por un enlace covalente. La sacarosa, el azcar que utilizamos para endulzar nuestros alimentos, es una molcula de glucosa unida a otra de fructosa. La lactosa (el azcar de la leche) se compone de una molcula de glucosa y otra de galactosa.

Polisacridos Los carbohidratos ms abundantes son los polisacridos, un grupo que incluye almidones,

glucgeno y celulosas. Un polisacrido es una macromolcula en la que se asocian varias unidades de azcares simples, generalmente glucosa. Aun cuando el nmero de unidades presentes es variable, por lo general, en una sola molcula se encuentran miles de ellas. El polisacrido puede ser una cadena simple larga o una cadena ramificada. Almidn

Constituye la forma tpica en que se almacenan carbohidratos en las plantas: es un polmero de

subunidades de -glucosa. Los monmeros se unen por enlaces 14. El almidn se encuentra en dos formas: amilosa y amilopectina. La amilosa, la forma ms simple, no tiene ramificaciones. La amilopectina, la forma ms comn, consta de cerca de 1000 unidades en una cadena ramificada. Las ramificaciones ocurren cada 20 o 25 unidades, y en ellas intervienen los carbonos uno y seis (enlaces glucosdicos).

Las plantas almacenan almidn en grnulos con organelos especializados, llamados plstidos. Cuando se requiere energa para el metabolismo celular, la planta somete a hidrlisis el almidn y libera subunidades de glucosa. Los hombres y otros animales que comen plantas tienen enzimas capaces de hidrolizar el almidn. Glucgeno

A veces tambin llamado almidn animal. Es la forma en que se almacena la glucosa en los tejidos animales. Este polisacrido es una cadena altamente ramificada; es ms soluble en agua que el almidn de las plantas. El glucgeno se almacena sobre todo en hgado y clulas musculares.

La glucosa no puede almacenarse como tal; sus molculas pequeas, sin carga y tan fcilmente solubles, escaparan de las clulas. Las molculas ms grandes y menos solubles de almidn y glucgeno no pasan tan fcilmente a travs de las membranas celulares. Por tanto, en vez de almacenar azcares simples, las clulas almacenan polisacridos ms complejos, como el glucgeno, el cual puede fcilmente hidrolizarse hasta convertirse en azcares simples.

Los carbohidratos constituyen el grupo de compuestos orgnicos ms abundantes en la tierra. La celulosa es el carbohidrato ms abundante sobre la tierra, constituyendo cerca del 50 % o ms del carbono de las plantas. La madera es celulosa en cerca del 50% y el algodn por lo menos en un 90%. Las clulas de las plantas estn rodeadas por una fuerte pared celular de soporte constituida principalmente de celulosa. La celulosa es un polisacrido insoluble, compuesto por la unin de molculas de glucosa. Los enlaces que unen estas unidades de azcar son diferentes de los que se presentan en las

molculas de almidn. En este ltimo las subunidades son de -glucosa y los enlaces glucosdicos son

14. En la celulosa el monmero es -glucosa y los enlaces son 14. Estos enlaces no se desdoblan por las enzimas que hidrolizan el almidn. Los seres humanos no

tienen enzimas con las cuales digerir la celulosa y por lo tanto no pueden utilizarla como nutriente. Sin embargo la celulosa es un componente importante de la fibra de la dieta, y ayuda a mantener el buen funcionamiento del sistema digestivo.

Carbohidratos modificados y complejos Muchos derivados de los monosacridos son compuestos biolgicamente importantes. Los

aminoazcares glucosamina y galactosamina son compuestos en los que el grupo hidroxilo (-OH) se ha reemplazado por un grupo amino (-NH2). La galactosamina se encuentra en el cartlago. La glucosamina es la unidad molecular presente en la quitina, principal componente del esqueleto de los insectos, del langostino y de otros artrpodos. Este polisacrido modificado tambin se presenta en las paredes celulares de los hongos.

Los carbohidratos tambin se combinan con protenas y dan lugar a las glucoprotenas, elementos presentes en la superficie externa de las clulas animales. La mayor parte de las protenas secretadas por las clulas son glucoprotenas. Los carbohidratos se combinan con lpidos y originan glucolpidos, compuestos de la superficie externa de las clulas animales e importantsimos para la interaccin entre distintas clulas. LPIDOS

Son un conjunto de biomolculas orgnicas, qumicamente heterogneas, insolubles en agua y solubles en solventes orgnicos no polares (cloroformo, ter, ter de petrleo, benceno, etc.). Esta definicin se basa en una propiedad fsica comn que es la solubilidad y no en los grupos funcionales presentes en sus molculas, ya que la naturaleza qumica de lo lpidos, como se ver, es muy variada. Son compuestos de distribucin universal en clulas y organismos y cumplen funciones esenciales.

Formando parte de su estructura existen largas cadenas hidrocarbonadas lineales o cclicas que le confieren a la molcula su hidrofobicidad y su afinidad por los solventes orgnicos no polares, que son de su misma naturaleza. No poseen peso molecular muy elevado ni forman macromolculas como los hidratos de carbono, las protenas y los cidos nucleicos. Son molculas con alto contenido de hidrgeno (muy reducidas) y por lo tanto son una buena fuente de energa (regularmente la produccin de energa a partir de una molcula implica la oxidacin de la misma).

Debido a su escasa solubilidad en medios acuosos, los lpidos no circulan en los animales en forma libre, sino asociados a diversas protenas, segn se encuentren fuera o dentro de la clula. En el torrente sanguneo circulan asociados a diferentes tipos de protenas, constituyendo los quilomicrones, cuyo peso molecular (PM) es de 109 a 1010 daltons (con un contenido de 2% de protena y alrededor de 90% de glicridos), las lipoprotenas de baja densidad (LDL4, 25% de protena, PM 106) o de alta densidad (HDL6, 50% de protena, PM 105). Dentro de la clula los lpidos circulan unidos a protenas transportadoras especficas, como por ejemplo la protena transportadora de cidos grasos (FABP; fatty acid binding protein), o la protena transportadora de fosfatidilcolina (PC-BP: phosphatidylcholine binding protein), etc. Clasificacin

Teniendo en cuenta su composicin elemental los lpidos se clasifican en simples y complejos.

Lpidos simples contienen C, H, O

cidos grasos Eicosanoides Glicridos Cridos Terpenos Esteroides

Lpidos complejos contienen C, H, O, N, S, P

Fosfolpidos Esfingolpidos

4 LDL y HDL son las siglas inglesas de Low Density Lipids y High Density Lipids

cidos grasos Son cidos monocarboxlicos de 4 a 36 tomos de carbono. Los ms frecuentes son lineales y de

nmero par de tomos de carbono. Si se presentan dobles ligaduras (cidos grasos insaturados), las mismas poseen configuracin geomtrica cis. Uno de los extremos est representado por un grupo carboxlico (cido) que es hidroflico, es decir, tiene afinidad por el agua, mientras que la cadena hidrocarbonada es hidrofbica (rechaza al agua), siendo la molcula resultante anfiptica. Las propiedades fsicas de los mismos y de los compuestos que los poseen dependen del nmero de dobles ligaduras y de la longitud de la cadena.

Son molculas muy reducidas y en la clula se oxidan a CO2 y H2O y se libera energa. Los cidos

grasos linoleico 18:2 (9,12)5 y linolnico 18:3 (9,12,15) son esenciales para los animales, y deben ser ingeridos con la dieta, debido a que los animales no pueden introducir dobles ligaduras ms all del carbono 9, en tanto que los vegetales s pueden hacerlo. En la clula los cidos grasos estn mayoritariamente esterificados (formando uniones ster con alcoholes simples o complejos) en los fosfolpidos que constituyen las membranas biolgicas y en los triglicridos que son la principal reserva energtica. Eicosanoides

Este trmino agrupa a una serie de compuestos derivados de cidos grasos poliinsaturados de 20 tomos de carbono (de donde deriva su nombre: eicosano = veinte). Todos ellos tienen una amplia gama de actividades biolgicas, bien como seales qumicas (hormonas) o como efectores fisiolgicos (en procesos inflamatorios). Son el prototipo de mediadores locales, liberados in situ ante diversos estmulos. En esta categora se incluyen las Prostaglandinas (PG), los Tromboxanos y los Leucotrienos.

Se conocen unas 20 PG, cuya funcin es la de regular la accin hormonal. Algunas provocan la contraccin de la musculatura lisa, en especial en el aparato reproductivo, de ah que sean utilizadas para inducir el aborto. La prostaciclina es un vasodilatador que acta principalmente sobre las arterias coronarias y que impide la agregacin plaquetaria. Otras PG son mediadores de la reaccin inflamatoria. Compuestos como el cido acetilsaliclico (aspirina) y los glucocorticoides (cortisol, dexametasona) inhiben la sntesis de estas PG, y de ah sus efectos antiinflamatorios.

Los Tromboxanos fueron descritos por primera vez en las plaquetas sanguneas, aunque su distribucin es muy general.. El tromboxano A2 se sintetiza en las plaquetas y tiene efectos opuestos a la prostaciclina: contrae las arterias y desencadena la agregacin plaquetaria.

Los Leucotrienos aparecen frecuentemente combinados con el tripptido glutatin. Deben su nombre a que poseen tres dobles enlaces conjugados (trieno). Son mediadores locales en reacciones de tipo alrgico e inflamatorio.

5 La notacin 18:2 significa que el cido graso tiene 18 carbonos y dos dobles ligaduras (18:0 representara un cido graso de

18 carbonos saturado, es decir sin dobles ligaduras), en tanto que 9,12 indica que las dobles ligaduras estn ubicadas entre los carbonos 9-10 y 12-13.

Glicridos

Los glicridos son steres6 de un trialcohol llamado glicerol (1,2,3trihidroxi-propanol) con 1, 2 o 3 molculas de un cido graso, formndose un monoglicrido, diglicrido o triglicrido, respectivamente.

Los triglicridos son los lpidos ms abundantes en los seres vivos y constituyen una importante fuente de energa, ya que producen ms del doble de energa (por gramo) que los carbohidratos. Esto se debe a dos factores: los lpidos estn ms reducidos y por lo tanto liberan ms energa al oxidarse a CO2 y H2O que los carbohidratos; adems, al ser hidrofbicos no contienen agua de hidratacin que se sume a su peso. Por lo tanto, los triglicridos son una forma econmica de almacenamiento energtico. Los carbohidratos y protenas pueden ser transformados en lpidos cuando la cantidad de caloras que ingresan en un organismo es mayor que la requerida. En cambio, los lpidos no pueden transformarse en hidratos de carbono en los animales; los vegetales s son capaces de transformar lpidos en hidratos de carbono y este hecho lo aprovechan algunas semillas para almacenar en un volumen reducido la energa necesaria para los primeros estadios de vida de la planta.

Debido a su hidrofobicidad, en la mayora de las clulas eucariticas los triglicridos se separan en fases en el citoplasma acuoso formando gotas de reserva en vegetales y en las clulas animales ocupando casi todo el citoplasma (adipocitos). En las semillas los triglicridos actan como fuente de energa y de precursores biosintticos.

Los triglicridos en los que predominan los cidos grasos saturados suelen recibir el nombre de grasas y tienen mayor punto de fusin (son las grasas animales, que son slidas a temperatura ambiente). En los aceites vegetales (lquidos a temperatura ambiente) predominan los cidos grasos insaturados Cridos

Son steres de un cido graso de cadena larga. Slidos a temperatura ambiente, poseen sus dos extremos hidrfobos, lo que determina su funcin: impermeabilizar y proteger. Los cridos ms comunes son la cera de abeja (steres del cido palmtico con alcoholes de cadena larga) y la lanolina (grasa de lana de oveja). En general en los animales se encuentran en la piel, recubriendo el pelo, plumas y exoesqueleto de insectos. En los vegetales forman pelculas que recubren hojas, flores y frutos. En el plancton (organismos animales y vegetales que viven suspendidos en ocanos y mares) los cridos pueden actuar como fuente de energa. Terpenos

Suelen incluirse en este grupo molculas formadas por condensacin de unas pocas unidades de isopreno. Qumicamente, la mayora son hidrocarburos, aunque algunos contienen funciones oxidadas. Muchas de estas molculas son vitaminas liposolubles. Son frecuentes en los aceites esenciales (sustancias aromticas) de las plantas.

Entre las vitaminas derivadas del isopreno se encuentra la Vitamina A (retinol), un alcohol tetraprenoide, indispensable para evitar trastornos como la ceguera nocturna (falta de acomodacin visual

6 Al combinarse con el glicerol, el carboxilo terminal del cido graso se fija a uno de los grupos OH del glicerol, formndose un

enlace covalente llamado ster y se desprende el equivalente de una molcula de agua.

a la oscuridad), la xeroftalmia (queratinizacin del epitelio de la conjuntiva del ojo) y la sequedad de los epitelios. Tambin se ubica aqu a la Vitamina E, utilizada en el tratamiento de la esterilidad, y a la Vitamina K (naftoquinona), esencial en el proceso de coagulacin sangunea. Esteroides

Su estructura es muy diferente a la del resto de los lpidos. Una molcula de esteroide tiene sus tomos de carbono dispuestos en cuatro anillos entrelazados; tres de los anillos contienen seis tomos, mientras que el cuarto slo tiene cinco. La longitud y estructura de las cadenas laterales que parten de esos anillos establecen la diferencia entre un tipo de esteroide y otro. Los esteroides se sintetizan a partir de unidades de isopreno.

Son lpidos estructurales de la mayora de las clulas eucariticas: el colesterol en animales, el estigmasterol en vegetales y el ergosterol en hongos; las bacterias carecen de esteroles. El colesterol posee un grupo hidroxilo que le da carcter hidroflico, pero tiene adems un esqueleto hidrocarbonado hidrofbico, por lo que la molcula es anfiptica.

Entre los esteroides de mayor importancia biolgica cabe mencionar el colesterol, las sales biliares, las hormonas sexuales masculinas y femeninas, y las hormonas secretadas por la corteza suprarrenal. El colesterol es un componente estructural de las membranas celulares animales. Otros esteroles de importancia son las hormonas sexuales (femeninas y masculinas) y las hormonas de la corteza suprarrenal. Algunos esteroles actan como detergentes intestinales (cidos biliares, que es la forma en que elimina el colesterol del organismo). En la figura puede verse la estructura del colesterol y de la testosterona, hormona sexual masculina. Fosfolpidos

Un fosfolpido (fosfoglicrido) consta

de una molcula de glicerol unida a dos cidos grasos y a un radical fosfato (cido fosfatdico), que a su vez se enlaza mediante una unin ster con un aminoalcohol, como la colina, la etanolamina o la serina (que adems es un aminocido), o un polialcohol como el glicerol o el inositol.

Los cidos grasos le confieren a estas molculas un alto grado de hidrofobicidad, mientras que la base orgnica y el cido fosfrico son altamente hidrofbicos, por lo que estas molculas son anfipticas.

Tienen funciones estructurales (son constituyentes de las membranas biolgicas) y son mensajeros intracelulares (fosfatidilcolina, fosfalitidilserina fosfatidilinositol, etc.).

Los dos extremos de una molcula de fosfolpido son diferentes fsica y qumicamente. La porcin correspondiente al cido graso es hidrfoba (repele el agua), por lo que no es hidrosoluble; sin embargo, la porcin formada por el glicerol y la base orgnica est ionizada y es muy hidrosoluble. Se dice que este ltimo extremo de la molcula es hidroflico (afn al agua). Las propiedades anfipticas de estas molculas lipdicas y su geometra hacen que adopten cierta configuracin en presencia de agua, ya que los extremos hidroflicos (solubles en agua) quedan hacia afuera, interactuando con el agua circundante. Los extremos hidrfobos se orientan en el sentido opuesto. La membrana celular es una bicapa lipdica (dos

capas de fosfolpidos) cuyas molculas tienen los extremos hidrfobos hacia el centro y las cabezas hidrfilas hacia el lado externo de la superficie de la membrana. Esfingolpidos

Son derivados de la esfingosina o 4-esfingenina (ver frmula), un aminoalcohol insaturado de

cadena larga. Si el alcohol est esterificado con fosforilcolina estamos en presencia de la esfingomielina, que forman parte de las membranas de las clulas nerviosas.

Si en lugar de fosforilcolina hay carbohidratos, los productos se denominan cerebrsidos (gluco- o

galactocerebrsidos) o ganglisidos (adems de monosacridos tienen cido silico, que es el N-acetilneuramnico). Los cerebrsidos y ganglisidos estn tambin presentes en clulas nerviosas y por tener glcidos deberan ser consideradas tambin como glicolpidos. En este sentido tambin cabe mencionar a los glicolpidos presentes en las membranas de los cloroplastos, que en realidad son glicridos en los que un cido graso est reemplazado por una o dos unidades de galactosa, en las cuales el hidroxilo alcohlico del C6 puede estar esterificado con cido sulfrico, formando un grupo sulfnico. PROTENAS

Las protenas son macromolculas esenciales en la qumica de la vida. Estas macromolculas se emplean como componentes estructurales de las clulas y tejidos, de modo que el crecimiento, la restauracin y el mantenimiento del organismo dependen del abastecimiento adecuado de esas sustancias. Algunas protenas actan como catalizadores o enzimas, molculas especiales que regulan miles de reacciones qumicas distintas que ocurren en los seres vivos.

Los protenas constitutivas de cada clula son la clave de su estilo de vida. Cada tipo celular posee una distribucin, cantidad y especie de protenas que determina el funcionamiento y la apariencia de la clula. Por ejemplo, una clula muscular difiere de otras en virtud de su gran contenido de protenas contrctiles, como la miosina y la actina, a las que se debe, en gran parte su apariencia y su capacidad de contraccin. La protena llamada hemoglobina, que se encuentra en los glbulos rojos o eritrocitos, se ocupa de la especializada funcin de transportar oxgeno.

La mayor parte de las protenas son especficas de cada especie; es decir, las protenas varan de una especie a otra. As, las protenas presentes en las clulas de un perro son un poco diferentes en relacin a las de un zorro o de un coyote. Se cree que el grado de diferencia depende de las relaciones evolutivas. Los organismos escasamente relacionados tienen protenas que difieren en forma ms marcada que las de aquellos entre los cuales se establece una relacin evolutiva ms estrecha. Algunas protenas son diferentes an entre individuos de una misma especie, por lo que se considera que cada organismo es nico, desde el punto de vista bioqumico. Slo individuos genticamente idnticos (gemelos idnticos o cepas de organismos cultivados en relacin muy estrecha) presentan protenas idnticas. Funciones biolgicas de las protenas

Describir las funciones de las protenas equivale a describir en trminos moleculares todos los fenmenos biolgicos. Gracias a su gran hetereogeneidad estructural, las protenas pueden asumir funciones muy variadas, de las cuales podemos destacar:

Enzimas: La gran mayora de las reacciones metablicas tienen lugar gracias a la presencia de un catalizador de naturaleza proteica especfico para cada reaccin. Estos biocatalizadores reciben el nombre de enzimas. La gran mayora de las protenas son enzimas.

Hormonas: Las hormonas son sustancias producidas por una clula y que una vez secretadas ejercen su accin sobre otras clulas dotadas de un receptor adecuado. Algunas hormonas son de naturaleza proteica, como la insulina y el glucagn (que regulan los niveles de glucosa en sangre) o las hormonas segregadas por la hipfisis como la hormona del crecimiento, o la calcitonina (que regula el metabolismo del calcio), pero existen hormonas que no son protenas.

Receptores de membrana: La superficie celular alberga un gran nmero de protenas encargadas del reconocimiento de compuestos qumicos de muy diverso tipo: receptores de hormonas, de neurotransmisores, de anticuerpos, etc. En muchos casos, los ligandos que reconoce el receptor ( hormonas y neurotransmisores) son tambin de naturaleza proteica y en otros casos son organismos (bacterias, virus).

Transportadoras: En los seres vivos son esenciales los fenmenos de transporte, bien para llevar una molcula hidrofbica a travs de un medio acuoso (transporte de oxgeno o lpidos a travs de la sangre) o bien para transportar molculas polares a travs de barreras hidrofbicas (transporte a travs de la membrana plasmtica). Los transportadores biolgicos son siempre protenas.

Estructurales: Las clulas poseen un citoesqueleto de naturaleza proteica que constituye un armazn alrededor del cual se organizan todos sus componentes, y que dirige fenmenos tan importantes como el transporte intracelular o la divisin celular. En los tejidos de sostn (conjuntivo, seo, cartilaginoso) de los vertebrados, las fibras de colgeno forman parte importante de la matriz extracelular y son las encargadas de conferir resistencia mecnica tanto a la traccin como a la compresin.

Defensa: La propiedad fundamental de los mecanismos de defensa es la de discriminar lo propio de lo extrao. En bacterias, una serie de protenas llamadas endonucleasas de restriccin se encargan de identificar y destruir aquellas molculas de ADN que no identifica como propias. En los vertebrados superiores, las inmunoglobulinas se encargan de reconocer molculas u organismos extraos y se unen a ellos para facilitar su destruccin por las clulas del sistema inmunitario.

Movimiento: Todas las funciones de motilidad de los seres vivos estn relacionadas con las protenas. As, la contraccin del msculo resulta de la interaccin entre dos protenas, la actina y la miosina. El movimiento de la clula mediante cilios y flagelos est relacionado con las protenas que forman los microtbulos.

Reserva: La ovoalbmina de la clara de huevo, la lactoalbmina de la leche, la gliadina del grano de trigo y la hordena de la cebada, constituyen una reserva de aminocidos para el futuro desarrollo del embrin.

Regulacin: Muchas protenas se unen al ADN y de esta forma controlan la transcripcin gnica. De esta forma el organismo se asegura que la clula, en todo momento, tenga todas las protenas necesarias para desempear normalmente sus funciones. Las distintas fases del ciclo celular son el resultado de un complejo mecanismo de regulacin desempeado por protenas como la ciclina.

Otras funciones. Los fenmenos de transduccin (cambio en la naturaleza fsico-qumica de seales) estn mediados por protenas. As, durante el proceso de la visin, la rodopsina de la retina convierte (o mejor dicho, transduce) un fotn luminoso (una seal fsica) en un impulso nervioso (una seal elctrica) y un receptor hormonal convierte una seal qumica (una hormona) en una serie de modificaciones en el estado funcional de la clula.

Aminocidos

Es esencial tener un conocimiento bsico acerca de la qumica de las protenas para comprender procesos como la nutricin y otros conceptos del metabolismo. Qumicamente, las protenas se componen de carbono, hidrgeno, oxgeno, nitrgeno y a veces, azufre. Los tomos de estos elementos suelen formar subunidades moleculares denominadas aminocidos.

Los aminocidos conforman las unidades estructurales de las protenas. Contienen un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) unidos al mismo tomo de carbono, llamado carbono alfa y difieren entre s en su grupo R o cadena lateral unida a este carbono alfa. La glicina, el aminocido ms simple presenta un hidrgeno como grupo R o cadena lateral, la alanina un grupo metilo (-CH3), la valina

un grupo isopropilo, etc. De todos los aminocidos posibles, slo veinte se encuentran normalmente en las protenas (aminocidos naturales).

Los aminocidos son slidos cristalinos que al disolverse en una solucin de pH neutro se comportan como iones dipolares, siendo esta la forma en que se comportan en el pH celular. El grupo amino (-NH2) acepta un protn hasta convertirse en -NH3+ (ion amonio) y el grupo carboxilo dona un protn convirtindose en -COO- (carboxilato) disociado.

El carbono alfa de un aminocido es un carbono asimtrico. Por tanto, cada aminocido puede presentarse en dos ismeros pticos distintos, las formas L y D. Sin embargo, los ismeros de aminocidos presentes en los seres vivos son casi exclusivamente L-ismeros. Una excepcin seran los pocos aminocidos D presentes en los antibiticos producidos por los hongos.

Los aminocidos se agrupan segn las propiedades de sus cadenas laterales. Los aminocidos con cadenas laterales no polares son hidrfobos, en tanto que aqullos con cadenas laterales polares son hidrfilos. Los aminocidos cidos tienen cadenas laterales con un grupo carboxilo. En el pH celular, el grupo carboxilo se disocia de manera que el grupo R tiene una carga negativa. Los aminocidos bsicos tienen carga positiva debido a la disociacin del grupo amino en su cadena lateral. Las cadenas laterales cidas o bsicas son inicas y por lo tanto son hidrfilas.

Adems de los veinte aminocidos naturales conocidos, algunas protenas contienen otros

aminocidos menos comunes. Por ejemplo, la lisina y la prolina pueden convertirse en hidroxilisina e hidroxiprolina, respectivamente, despus de incorporarse al colgeno. Estos aminocidos dan origen a enlaces cruzados entre las cadenas peptdicas del colgeno. Dichos enlaces aportan la firmeza y la fuerza de las molculas del colgeno, que es uno de los principales componentes del cartlago, del hueso y de otros tejidos conectivos.

Con pocas excepciones, las plantas sintetizan todos sus aminocidos a partir de sustancias ms simples. Las clulas humanas y animales fabrican algunos de importancia biolgica, aunque no todos, si cuentan con la materia prima necesaria. Aquellos que los animales no pueden sintetizar, deben obtenerlos en la dieta: stos son los llamados aminocidos esenciales. Los animales tienen distintas capacidades de biosntesis, es decir que lo que para un animal es un aminocido esencial, para otro puede no serlo.

Las cadenas de polipptidos se forman a partir de aminocidos

Los aminocidos se combinan qumicamente unos con otros enlazando el carbono del grupo carboxilo de una molcula con el nitrgeno del grupo amino de otra. El enlace covalente que une dos aminocidos se denomina enlace peptdico. Cuando dos aminocidos se combinan, se forma un dipptido; una cadena ms larga recibe el nombre polipptido. El elaborado proceso por medio del cual se sintetizan polipptidos se discutir ms adelante.

Un polipptido contien varias decenas, cientos o hasta miles de aminocidos unidos en un orden lineal especfico. A su vez, una protena puede estar compuesta por una o varias cadenas de polipptidos, de modo que puede formarse una variedad casi infinita de molculas protenicas, las cuales difieren entre s en cuanto al nmero, tipo y secuencia de los aminocidos que las conforman. Los veinte tipos de aminocidos que se encuentran en las protenas podran considerarse como letras de un alfabeto, de manera que cada protena sera una palabra formada por distintas letras.

Estructura de las protenas: tipos

Las cadenas de polipptidos que forman una protena se encuentran enrolladas o plegadas en una conformacin especfica, tridimensional. Esta conformacin determina la funcin de la protena. Por ejemplo, la conformacin de una enzima le permite "identificar" y actuar sobre su sustrato, sustancia que dicha enzima regula. La forma de una protena hormonal le permite combinarse con su receptor en el sitio de la clula blanco (la clula sobre la cual la hormona est diseada para actuar).

Las protenas se clasifican en fibrosas o globulares. En las protenas fibrosas, las cadenas de polipptidos estn dispuestas en lminas largas; en las protenas globulares las cadenas de polipptidos se encuentran plegadas en forma estrecha a fin de producir una molcula compacta, de forma esfrica. La mayor parte de las enzimas son protenas globulares. Hay varios tipos de estructuras en una molcula proteica: primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria. Estructura primaria

La secuencia, es decir el orden en que se disponen los aminocidos en una cadena polipeptdica determina su estructura primaria. Esta secuencia se encuentra especificada en la informacin gentica del organismo. La insulina, hormona secretada por el pncreas que se utiliza en el tratamiento de la diabetes, fue la primera protena cuya secuencia de aminocidos pudo determinarse. La insulina contiene 51 unidades de aminocidos unidos en dos cadenas (una de 30 y otra de 21 aminocidos) conectadas por puentes disulfuro. Estructura secundaria

Las cadenas peptdicas no suelen encontrarse aplanadas ni se pliegan al azar, sino que forman una estructura tridimensional especfica, en general en forma de hlice o de otra estructura regular, disposicin espacial que se conoce con el nombre de estructura secundaria.

Esta disposicin se debe a las interacciones entre los tomos del esqueleto regular de la cadena peptdica. Los grupos funcionales no intervienen en la formacin de enlaces de la estructura secundaria. Una estructura secundaria que se observa con frecuencia en las molculas de protena es la llamada hlice alfa. Esto abarca la formacin de espirales de una cadena peptdica. La hlice alfa es una estructura geomtrica muy uniforme y en cada giro se encuentran 3,6 aminocidos. La estructura helicoidal se determina y mantiene mediante enlaces por puente de hidrgeno entre los aminocidos en los giros sucesivos de la espiral. En la estructura alfahelicoidal, los puentes de hidrgeno ocurren entre tomos de una misma cadena peptdica.

Otro tipo de estructura secundaria es el denominado lmina plegada beta. En stas los puentes de hidrgeno pueden ocurrir entre diferentes cadenas polipeptdicas (lmina intercatenaria); cada cadena en forma de zigzag est completamente extendida y los enlaces de hidrgeno ocasionan la formacin de la estructura en forma de lmina. Pero tambin se pueden formar lminas plegadas entre regiones diferentes de una misma cadena peptdica (lmina intracatenaria). Esta estructura es ms flexible que elstica. Son posibles dos formas laminares, segn el alineamiento de las diferentes cadenas o

segmentos: si stos se alinean en la misma direccin (de extremo N- a C-terminal, por ej.) la disposicin es una lmina beta paralela, en tanto que si estn alineados en sentido opuesto, la lmina es beta antiparalela. Si bien ambos casos ocurren en la naturaleza, la estructura antiparalela es ms estable

porque los dipolos C=O y NH estn mejor orientados para una interaccin ptima. En la mayora de las protenas la estructura secundaria siempre tiene una porcin que no es ni

helicoidal ni laminar, denominada aleatoria (zonas de conexin). De este modo las protenas pueden ser parcialmente helicoidales y aleatorias, parcialmente laminares y aleatorias, totalmente aleatorias o una mezcla variable de partes de ordenamiento helicoidal, laminar y aleatorio.

Un concepto muy utilizado en la estructura tridimensional de una protena es el dominio, que corresponde a una zona de la molcula que tiene caractersticas estructurales definidas. En una molcula de protena puede haber ms de un dominio y este hecho est relacionado con la funcin de la misma. Los dominios suelen ser muy conservados a lo largo de la evolucin: las proteasas tipo papana de virus, bacterias, plantas y animales tienen una estructura compuesta de dos dominios entre los cuales se ubica el sitio activo de la enzima. Estructura terciaria

La estructura terciana de una molcula de protena est determinada por la forma que adopta cada cadena polipeptdica. Esta estructura tridimensional est determinada por cuatro factores que se deben a interacciones entre los grupos R:

1. Puentes de hidrgeno entre los grupos R de las subunidades de aminocidos en zonas adyacentes de la misma cadena de polipptidos.

2. Atraccin inica entre los grupos R con cargas positivas y aqullos con cargas negativas.

3. Interacciones hidrfobas derivadas de la tendencia de los grupos R no polares para asociarse hacia el centro de la estructura globular, lejos del Iquido que los rodea.

4. Los enlaces disulfuro, que son covalentes (-SS-), unen los tomos de azufre de dos subunidades de cistena. Estos enlaces pueden unir dos porciones de una misma cadena o dos cadenas distintas. Estructura cuaternaria

Las protenas compuestas de dos o ms cadenas de polipptidos (protenas multimricas) adquieren una estructura cuaternaria: cada cadena muestra estructuras primaria, secundaria y terciaria y forma una molcula protenica biolgicamente activa.

La hemoglobina, protena de los glbulos rojos encargada del transporte de oxgeno, es un ejemplo de protena globular con estructura cuaternaria. La hemoglobina es una protena tetramrica compuesta por 574 aminocidos dispuestos en cuatro cadenas polipeptdicas: dos cadenas alfa idnticas y dos cadenas beta idnticas entre s. Su frmula qumica es C3032H48160872S8Fe4

La estructura de las protenas determina su funcin La estructura de las protenas determina la actividad biolgica de stas. De entre las innumerables

conformaciones tericamente posibles de una protena, generalmente hay una que predomina. Esta conformacin es generalmente la ms estable y en ese caso se dice que la protena se encuentra en estado nativo (protena nativa).

La actividad biolgica de una protena puede ser afectada por cambios en la secuencia de aminocidos o en la conformacin de la protena. Cuando ocurre una mutacin (cambio qumico en un gen) que ocasiona un cambio en la secuencia de aminocidos de la hemoglobina, puede producirse un trastorno, denominado anemia falciforme. Las molculas de hemoglobina en una persona con anemia falciforme tienen el aminocido valina en la posicin 6, en vez de cido glutmico, es decir, el sexto aminocido del extremo terminal de la cadena beta. La sustitucin de la valina con una cadena lateral sin carga por glutamato con una cadena lateral con carga hace que la hemoglobina sea menos soluble y ms propensa a formar estructuras en forma de cristal, lo que provoca un cambio en la forma de los glbulos rojos (de ah el nombre de falciforme).

Los cambios en la estructura tridimensional de una protena tambin alteran su actividad biolgica. Cuando una protena se calienta o se trata con algunas sustancias qumicas, su estructura terciaria se distorsiona y la cadena peptdica en espiral se desdobla para dar lugar a una conformacin ms al azar. Este desdoblamiento se acompaa de una prdida de su actividad biolgica; por ejemplo de su capacidad de actuar como enzima. Este cambio en la forma de la protena y la prdida de su actividad biolgica se Ilama desnaturalizacin. En general, la desnaturalizacin no puede revertirse; sin embargo, en determinadas condiciones, algunas protenas que han sido desnaturalizadas recuperan su forma original y su actividad biolgica cuando se restauran las condiciones normales del medio.

Las protenas no son eternas y en las clulas es frecuente que las molculas de protena se sinteticen y se degraden de acuerdo a las necesidades celulares. La degradacin de una protena es llevada a cabo por proteasas o peptidasas que hidrolizan algunas o todas las uniones peptdicas, con lo que la protena puede quedar reducida a sus unidades constitutivas, los aminocidos, que pueden luego ser utilizados para construir molculas de la misma o de otra protena. El proceso de hidrlisis destruye todas las estructuras, incluso la primaria y puede ser llevado a cabo en el laboratorio por la accin de enzimas, o por cidos o lcalis concentrados a elevadas temperaturas. LAS ENZIMAS, UN TIPO ESPECIAL DE PROTENAS

Las enzimas son protenas altamente especializadas que funcionan como catalizadores de las reacciones de los sistemas biolgicos. Tienen un gran poder cataltico, a menudo muy superior al de los catalizadores sintticos. Poseen un elevado grado de especificidad respecto a sus sustratos, aceleran reacciones qumicas especficas y funcionan en soluciones acuosas en condiciones muy suaves de temperatura y pH. Hay pocos catalizadores no biolgicos que tengan todas estas propiedades.

Las enzimas constituyen una de las claves para conocer de qu modo sobreviven y proliferan las clulas. Actuando en secuencias organizadas catalizan cientos de reacciones consecutivas en las rutas metablicas mediante las que se degradan nutrientes, se conserva y transforma la energa qumica y se fabrican las macromolculas biolgicas a partir de precursores sencillos. Algunas de las enzimas que participan en el metabolismo son enzimas reguladoras que pueden responder a diversas seales metablicas cambiando adecuadamente su actividad cataltica. La funcin de las enzimas reguladoras es la de coordinar la multitud de actividades metablicas diferentes que son necesarias para la vida.

El estudio de las enzimas tambin tiene una importancia prctica inmensa. En algunas enfermedades, especialmente en las que son genticamente heredables, puede haber una deficiencia, o incluso una ausencia total, de una o ms enzimas en los tejidos. Tambin se pueden producir situaciones anormales por la actividad excesiva de un enzima especfico. La medicin de la actividad enzimtica en el plasma sanguneo, eritrocitos o muestras de tejido es importante en el diagnstico de enfermedades. Las enzimas se han convertido en herramientas prcticas importantes, no slo en medicina sino tambin en la industria qumica, en el tratamiento de los alimentos y en la agricultura; juegan un papel incluso en las actividades domsticas diarias tales como la preparacin de alimentos (enzimas tiernizantes de la

carne como la papana) o en la limpieza (proteasas y lipasas que degradan protenas y grasas, respectivamente, que son incorporadas a los detergentes).

Con la excepcin de un pequeo grupo de molculas de ARN cataltico (ribozimas), todas las enzimas son protenas. Su actividad cataltica depende de la integridad de su conformacin proteica nativa. Si se desnaturaliza o disocia un enzima en sus subunidades, se pierde normalmente la actividad cataltica. Si se descompone un enzima en sus aminocidos constituyentes, siempre se destruye su actividad cataltica. As, las estructuras primaria, secundaria, terciaria y (cuando la poseen) cuaternaria de las protenas enzimticas son esenciales para su actividad cataltica.

Las enzimas, al igual que otras protenas, tienen masas moleculares relativas que van desde unos doce mil hasta ms de un milln de daltons (12 a 1000 kDa). Muchas enzimas no requieren ninguna otra sustancia para desarrollar su actividad. Otras requieren un componente qumico adicional Ilamado cofactor.

El cofactor puede ser uno o varios iones inorgnicos tales como Fe2+, Mg2+, Mn2+ o Zn2+ o un complejo orgnico o metaloorgnico denominado coenzima. Cuando la coenzima o el ion metlico estn unidos covalentemente a la protena enzimtica el conjunto se denomina grupo prosttico.

Las coenzimas actan como transportadores transitorios de grupos funcionales especficos. Muchas vitaminas, que son nutrientes orgnicos requeridos en pequeas cantidades en la dieta, son precursoras de coenzimas. Finalmente, algunos enzimas son modificados por fosforilacin, glucosilacin y otros procesos. Gran parte de estas alteraciones intervienen en la regulacin de la actividad enzimtica.

El nombre de muchas enzimas se forma aadiendo el sufijo asa al del sustrato sobre el que actan (como la ureasa, que cataliza la hidrlisis de la urea) o utilizando una palabra o frase que describe su actividad (como la ADN polimerasa, que cataliza la sntesis de ADN en el proceso de duplicacin o replicacin del ADN). Otros enzimas, tales como la pepsina y la tripsina (enzimas digestivas), tienen nombres que no se refieren a sus sustratos. Cmo funcionan las enzimas?

La catlisis enzimtica de las reacciones qumicas es esencial para los sistemas vivos. En las condiciones que predominan en los sistemas biolgicos, las reacciones sin catalizar tienden a ser lentas. La mayora de las molculas biolgicas son muy estables en el pH neutro, la temperatura suave y el ambiente acuoso que existe en el interior de las clulas. Muchas reacciones comunes del metabolismo de los seres vivos resultaran poco probables en el ambiente celular sin la presencia de enzimas.

Una enzima soluciona estos problemas al proporcionar un ambiente dentro del cual una reaccin determinada es energticamente ms favorable. El rasgo distintivo de una reaccin catalizada enzimticamente es que tiene lugar dentro de un hueco de la molcula de la enzima denominada sitio activo o centro activo. La molcula sobre la que acta la enzima y que queda fijada en el sitio activo se denomina sustrato. El complejo enzima-sustrato es de importancia central en la accin de las enzimas Las enzimas alteran las velocidades de reaccin pero no los equilibrios

La velocidad de una reaccin catalizada enzimticamente depende de: a) La concentracin de enzima. b) La concentracin de sustrato. c) Las condiciones de reaccin (pH, concentracin de iones, temperatura, etc).

Se puede escribir una reaccin enzimtica sencilla (1) como:

E + S ES EP E + P (1)

donde E, S y P representan enzima, sustrato y producto, respectivamente. ES y EP son complejos de la enzima con el sustrato y con el producto, respectivamente.

Para entender la catlisis, hemos de apreciar en primer lugar la importante distincin entre equilibrios de reaccin y velocidades de reaccin. La funcin de una enzima es aumentar la velocidad de una reaccin. Las enzimas no modifican los equilibrios de reaccin.

Cualquier reaccin, por ejemplo S P, donde S es el sustrato y P es el producto, puede describirse mediante un diagrama de la coordenada de reaccin, que es una descripcin grfica del camino energtico de la reaccin.

En su forma normal estable, o estado basal, cualquier molcula (tal como S o P) contiene una

cantidad caracterstica de energa. El equilibrio entre S y P refleja la diferencia de la energa (G) de sus estados basales. En el ejemplo que se muestra en la figura, la energa del estado basal de P es inferior al de S, con lo que el equilibrio favorece la degradacin de S y la formacin de P. Este equilibrio no es afectado por la actividad de la enzima.

No obstante, un equilibrio favorable no indica que la conversin S P sea rpida. Para que haya reaccin las molculas han de superar una barrera representada por la colina energtica de la figura, que es el resultado de una serie de reacomodamientos que tienen que producirse en las molculas participantes (alineamiento de los grupos reactivos, formacin de cargas inestables transitorias, reordenamientos de enlaces, etc.)

En la cumbre de la colina energtica existe un punto en el que la cada hacia el estado S o P es igualmente probable (en cualquier caso es de bajada). Es lo que se denomina el estado de transicin. El estado de transicin es un momento molecular fugaz en el que acontecimientos tales como ruptura o la formacin de un enlace y el desarrollo de carga han llegado al preciso instante en el que la vuelta al estado inicial del sustrato o la generacin de un producto son igualmente probables. La diferencia entre los niveles de energa del estado basal y del estado de transicin se denomina energa de activacin.

La velocidad de una reaccin refleja esta energa de activacin, ya que si la energa de activacin es ms elevada, la reaccin es ms lenta. Las velocidades de reaccin pueden aumentarse incrementando la temperatura, porque se aumenta el nmero de molculas con energa suficiente para superar la barrera energtica. De modo alternativo, puede disminuirse la energa de activacin aadiendo un catalizador. Los catalizadores (como las enzimas) aumentan las velocidades de reaccin disminuyendo la energa de activacin.

Se puede ilustrar este principio general considerando la reaccin de la glucosa con el O2 para formar CO2 y H2O, que representa los estados inicial y final del proceso de respiracin que veremos ms adelante.

Glucosa + Oxgeno Dixido de carbono + agua

Esta reaccin tiene una variacin de energa libre muy grande, ya que el contenido de energa libre de la glucosa es notoriamente mayor que el de los productos, por lo que la reaccin debera ser espontnea, es decir que la glucosa debera descomponerse rpidamente formando dixido de carbono y agua. Sin embargo, se puede colocar glucosa en un recipiente con oxgeno de manera casi indefinida sin que reaccionen. En las clulas, en cambio, la glucosa es degradada rpidamente a CO2 y H2O en una ruta metablica catalizada por enzimas. Estas enzimas no slo aceleran las reacciones sino que las organizan y controlan de tal manera que gran parte de la energa liberada en este proceso se recupera en otras formas que pueden ser utilizadas por la clula para realizar todas sus funciones. Esta es la ruta primaria de formacin de energa para las clulas y las enzimas que actan en ella permiten que el proceso tenga lugar en una escala de tiempo til para las clulas. Unos pocos principios explican el poder cataltico y la especificidad de las enzimas

Las enzimas son catalizadores extraordinarios. Los aumentos de velocidad conseguidos por las enzimas son de 7 a 14 rdenes de magnitud con respecto a las reacciones no enzimticas. Las enzimas son tambin muy especficas, discriminando fcilmente entre sustratos con estructuras muy similares.

Cmo se pueden explicar estos incrementos enormes y altamente selectivos? De dnde viene la energa que proporciona un descenso espectacular de las energas de activacin de reacciones especficas? Parte de la explicacin de la accin enzimtica proviene de acciones qumicas bien estudiadas que tienen lugar entre un sustrato y grupos funcionales de las enzimas (cadenas laterales

de aminocidos especficos, iones metlicos y coenzimas). La energa requerida para disminuir la energa de activacin proviene generalmente de interacciones dbiles no covalentes entre el sustrato y la enzima (puentes de hidrgeno e interacciones inicas, hidrofbicas y de van der Waals) que se denomina energa de fijacin.

La necesidad de mltiples interacciones dbiles para impulsar la catlisis es una de las razones de que las enzimas (y algunas coenzimas) sean tan grandes. El enzima ha de aportar grupos funcionales para interacciones inicas, puentes de hidrgeno y otras interacciones y ha de posicionar estos grupos de forma precisa para que la energa de fijacin en el estado de transicin pueda ser ptima.

La energa de fijacin mantiene los sustratos en la orientacin correcta para reaccionar, lo que es una contribucin muy importante a la catlisis, ya que las colisiones efectivas que pueden ocurrir al azar entre molculas en solucin son extremadamente raras. Como consecuencia de la presencia de la enzima, los sustratos se pueden alinear de forma precisa. Una multitud de interacciones dbiles entre cada sustrato y grupos localizados de manera estratgica en la enzima mantienen juntas las molculas de sustrato en las posiciones adecuadas. Las enzimas estn sujetas a inhibicin reversible e irreversible

Las enzimas catalizan virtualmente todos los procesos celulares, por lo que no es sorprendente que los inhibidores enzimticos se encuentren entre los principales medicamentos. La aspirina ejerce su accin analgsica y antitrmica porque inhibe el primer paso de la sntesis de las prostaglandinas, que elevan la temperatura corporal produciendo inflamacin y dolor. Existen dos tipos de inhibidores enzimticos: reversibles e irreversibles.

Los inhibidores reversibles pueden ser de distintos tipos, pero los ms comunes son los inhibidores competitivos, que son generalmente sustancias que se parecen al sustrato y que compiten con el sustrato por el sitio activo de la enzima. Cuando se ha fijado el inhibidor la reaccin catalizada por la enzima no tiene lugar, pero como la reaccin es reversible, se puede desplazar el equilibrio agregando ms sustrato. La inhibicin competitiva se utiliza en el tratamiento de envenenamiento con metanol, que se convierte en formaldehido por la enzima alcohol deshidrogenasa; el formaldehido lesiona muchos tejidos, en especial los ojos. El etanol compite con el metanol por la enzima, de modo que la terapia para el envenenamiento con metanol es la aplicacin endovenosa de etanol, lo cual hace que la formacin de formaldehido sea lo suficientemente lenta como para que el metanol se pueda eliminar inocuamente en la orina.

Los inhibidores irreversibles son los que se combinan con (o destruyen) un sitio esencial para la actividad de la enzima. La farmacoterapia moderna hace uso de variados inhibidores competitivos para el tratamiento de algunas enfermedades, incluido el SIDA. La actividad enzimtica es afectada por diversos factores

Las enzimas tienen un pH ptimo o un intervalo de pH en el que la actividad es mxima. Esto es debido a que las cadenas laterales que intervienen en la actividad cataltica presentan diferentes grados de ionizacin a diferentes valores de pH. La fuerza inica del medio tambin afecta significativamente la actividad enzimtica, debido a la posible interaccin de grupos cargados con los sitios activos de la enzima.

Por el hecho de ser protenas, las enzimas son sensibles a la accin de la temperatura. El incremento de la temperatura produce un incremento de la actividad enzimtica, pero al llegar a determinados valores de temperatura la enzima comienza a desnaturalizarse y se produce el efecto inverso. De todos modos debe tenerse en cuenta que en la mayora de los organismos la temperatura celular es relativamente constante.

Enzimas reguladoras En el metabolismo celular es muy frecuente que haya grupos de enzimas que funcionan

conjuntamente en rutas formadas por varios pasos. En tales sistemas enzimticos, el producto de la reaccin catalizada por la primera enzima se convierte en el reactivo (sustrato) de la siguiente, y as

sucesivamente (A B C D E). En cada sistema de reacciones hay al menos una enzima que fija la velocidad global, porque cataliza la reaccin ms lenta, que es la que limita la velocidad de la reaccin total. Estas enzimas reguladoras muestran una actividad cataltica mayor o menor en respuesta a la accin de ciertas sustancias (moduladores) que se unen a la enzima en forma reversible, con lo que la velocidad de cada secuencia metablica se ajusta constantemente a la necesidad de la clula.

Un mecanismo diferente de regulacin enzimtica lo constituyen los precursores inactivos de algunas enzimas (zimgenos). Muchas proteasas del estmago (pepsina) y del pncreas (tripsina y quimotripsina) se sintetizan en forma de proenzimas inactivas (pepsingeno, tripsingeno, quimotripsingeno) que requieren la accin de una proteasa especfica que libera un residuo polipeptdico, con lo que se obtiene la enzima activa. El sistema de formacin de precursores inactivos no slo se da en las enzimas: la hormona insulina se sintetiza como proinsulina y la protena fibrosa colgeno se sintetiza como procolgeno; en ambos casos proteasas especficas liberan restos polipeptdicos innecesarios y producen la protena activa (en los ejemplos dados, insulina y colgeno, respectivamente). ACIDOS NUCLEICOS

En las clulas se encuentran dos variedades de cidos nucleicos: el cido ribonucleico (ARN) y el cido desoxirribonucleico (ADN). El ADN forma genes, el material hereditario de las clulas, y contiene instrucciones para la produccin de todas las protenas que el organismo necesita.

El ARN est asociado a la transmisin de la informacin gentica desde el ncleo hacia el citoplasma, donde tiene lugar la sntesis de protenas, proceso al cual est estrechamente relacionado. Hay tres tipos de ARN que actan en el proceso de sntesis de protenas: ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARNt) y ARN ribosmico (ARNr).

Al igual que las protenas, los cidos nucleicos son molculas grandes y complejas. Fueron aisladas por primera vez por Miescher en 1870, a partir del ncleo de las clulas del pus; su nombre se origina del hecho de que la primera vez que se identificaron se observ que eran cidos, adems de que fueron identificados por primera vez en el ncleo celular. Nucletidos: subunidades de los cidos nucleicos

Los cidos nucleicos son biopolmeros, pero a diferencia de los polisacridos como el almidn o el

glucgeno, en los que el monmero es una molcula simple (la - o la -glucosa, respectivamente), los monmeros de los cidos nucleicos son los nucletidos, unidades moleculares que constan de: 1) un azcar de cinco carbonos, ya sea desoxirribosa en el caso del ADN o ribosa en el caso del ARN; 2) un grupo fosfato y, 3) una base nitrogenada, ya sea una purina de doble anillo o una pirimidina de anillo simple.

El ADN contiene las bases pricas Adenina (A) y Guanina (G) y las bases pirimdicas Citosina (C)

y Timina (T), junto con el azcar desoxirribosa y el fosfato. El ARN contiene las mismas bases pricas (A y G), pero en cuanto a las bases pirimdicas el Uracilo (U) reemplaza a la timina.

Las molculas de los cidos nucleicos estn formadas por cadenas de nucletidos, cada uno de ellos unido al siguiente por enlaces covalentes entre la molcula de azcar de una cadena (el carbono 3de la ribosa o de la desoxirribosa) y la molcula de fosfato de la otra cadena, que a su vez est unido al carbono 5de la pentosa. Estos enlaces son Ilamados uniones o puentes fosfodister, porque el fosfato est unido por una unin ster fosfato al azcar del nucletido y por otra unin equivalente al azcar del nucletido que lo precede.

Las molculas de ADN son considerablemente ms grandes que las de ARN, pero adems poseen una estructura doble, ya que estn constituidas por dos cadenas que son complementarias entre s. Las dos cadenas se enfrentan por las bases, que se mantienen unidas por la existencia de puentes de hidrgeno, pero la complementariedad proviene de que siempre una base prica (de mayor dimensin) se enfrenta con una base pirimdica y que el acoplamiento siempre enfrenta a A con T y a G con C. Este hecho es fundamental para permitir la duplicacin (replicacin) del ADN, ya que cada una de las cadenas sirve de molde para que se produzca la cadena complementaria respectiva.

Como consecuencia de su elevado contenido en cido fosfrico y a raz del pH cercano a la neutralidad del medio celular, las molculas de ADN en el ncleo poseen carga negativa. Este hecho favorece su asociacin con protenas bsicas (las histonas), que aparentemente juegan un rol protector y que en conjunto con el ADN constituyen la cromatina nuclear. El ADN (y las histonas asociadas) se dispone en forma helicoidal y parcialmente enrollada mientras la clula est en actividad normal, pero sufre una gran condensacin (superenrrollamiento) en el momento de la divisin celular, dando lugar a los cromosomas. En realidad no existen diferencias estructurales entre la cromatina nuclear y los cromosomas, sino que se trata de distintos grados de condensacin de la molcula de ADN. Si bien el trmino cromatina se sigue utilizando (proviene de la poca de las primeras observaciones microscpicas de ncleos coloreados: cromatos = color), la tendencia moderna es llamar cromosoma al ADN nuclear, independientemente del grado de condensacin que exhiba.

La diferencia esencial entre ADN y ARN,

adems del reemplazo de la desoxirribosa por la ribosa y de T por U, es que el ARN est constituido por una cadena nica y que sus dimensiones son considerablemente ms reducidas que las del ADN. Los tres tipos principales de ARN (mensajero, de transferencia y ribosmico) estn asociados con el proceso de sntesis de protenas, que tiene lugar en los ribosomas, estructuras que contienen ARN y

protenas y que constituyen el lugar fsico en el que se desarrolla la sntesis de las molculas proteicas. El ARNm contiene generalmente la informacin de la secuencia de aminocidos de una nica protena y obtiene dicha informacin por el proceso de transcripcin, a travs del cual una enzima especfica (ARN polimerasa) copia la informacin contenida en un sector (un gen) de una de las dos cadenas del ADN. Este proceso ocurre naturalmente en el ncleo, pero el ARNm pasa al citoplasma a travs de los poros nucleares y se encuentra con los ribosomas. La secuencia de bases del ARNm (que como se dijo es complementaria de la secuencia de bases de un sector de ADN) contiene la informacin sobre la posicin que deben ocupar los aminocidos en la protena. Esta codificacin recibe el nombre de cdigo gentico. Por su parte distintos ADNt son los encargados de reconocer a cada uno de los aminocidos y ubicarlos en el lugar sealado por el cdigo gentico en un proceso conocido como traduccin.

Otros nucletidos importantes

Adems de su importancia como subunidades de los cidos nucleicos, los nucletidos intervienen en otras importantes funciones celulares. El trifosfato de adenosina (ATP), compuesto de adenina, ribosa y tres fosfatos tiene una importancia destacada como fuente de energa para las clulas. Los dos fosfatos

terminales se unen al nucletido mediante enlaces "ricos en energa", que se sealan por el smbolo P. Estos enlaces reciben tal nombre porque liberan una gran cantidad de energa cuando se someten a hidrlisis. La energa qumica que se libera es biolgicamente utilizable y puede transferirse a otras molculas. La mayor parte de la energa qumica de las clulas se almacenan en enlaces de fosfato (ATP) ricos en energa, lista para liberarse cuando el grupo fosfato se transfiere a otra molcula.

Un nucletido puede convertirse en una forma cclica por medio de enzimas Ilamadas ciclasas. De esta manera la adenilatociclasa convierte al ATP en adenosn monofosfato cclico (AMP cclico). Los nucletidos cclicos juegan un papel importante en la mediacin de los efectos hormonales y en la regulacin de varios aspectos de la funcin celular.

Las clulas contienen varios dinucletidos de importancia especial en los procesos metablicos. Por ejemplo, como se discutir en el Mdulo 9, el dinucletido de adenina y nicotinamida (NAD) y el dinulcletido de adenina y flavina (FAD) son muy importantes como receptores y donores de hidrgeno y electrones en funciones biolgicas de oxidacin y reduccin en las clulas.

transcripcinn

traduccin

BIBLIOGRAFA Lehninger, A.L., D.L. Nelson y M.M. Cox (1993) "Principios de Bioqumica", Ediciones Omega S.A. (versin

espaola de la 2da. edicin inglesa, Worth Publishers, New York, 1993). Traduccin de C.M. Cuchillo Fox y J.Vendrell i Roca.

Solomon, E.P., L. R. Berg, D.W. Martin & C.A. Villee (1996) La Biologa de Villee, Interamericana McGraw-Hill.

Curtis, H. y N.S. Barnes (2000) Biologa. 6 edicin espaola. Editorial Mdica Paname