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LA COMPLEJIDAD DE LA VIDA Compilado por Luis Álvarez
Este artículo está pensado para personas con conocimientos elementales o medios en biología y bioquímica. Pretende ser un
sencillo resumen de bioquímica, una simple introducción,
presentación para captar claramente, como dice el título, que los
seres vivos estamos formados por estructuras muy complejas. Así
podremos comprender mejor las dificultades para explicar el origen
de la vida, la herencia o la teoría de la evolución. Y de paso
podremos entender mejor algunos artículos de esta área de Ciencias.
http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/biomol/cont
enidos15.htm
LOS BIOELEMENTOS
La materia viva presenta unas características y propiedades distintas a las de la materia inerte. Estas características y propiedades encuentran su
origen en los átomos que conforman la materia viva. Los átomos que
componen la materia viva se llaman bioelementos.
De los 92 átomos naturales, nada más que 27 son bioelementos. Estos
átomos se separan en grupos, atendiendo a la proporción en la que se
presentan en los seres vivos.
Bioelementos
% en la
materia viva
Átomos
Primarios 96% C, H, O, N, P, S
Secundarios 3,9% Ca, Na, K, Cl, I, Mg, Fe
Oligoelementos 0,1% Cu, Zn, Mn, Co, Mo, Ni,
Si...
C= Carbono H= Hidrógeno O= Oxígeno N = Nitrógeno P= Fósforo S=
Azufre Ca= Calcio Na= Sodio K= Potasio Cl= Cloro I = Iodo Mg= Magnesio
Fe= Hierro
Cu =Cobre Zn= Cinc Mn= Manganeso Co= Cobalto Mo= Molibdeno
Ni= Niquel…
2
Bioelementos primarios
Son los elementos más abundantes en los seres vivos.
La mayor parte de las moléculas que componen los seres vivos tienen una base de carbono. Este elemento presenta una serie de propiedades que
hacen que sea el idóneo para formar estas moléculas. Estas propiedades
son las siguientes:
1. Forma enlaces covalentes1, que son estables y acumulan mucha
energía.
2. Puede formar enlaces, hasta con cuatro elementos distintos, lo que da variabilidad molecular.
3. Puede formar enlaces sencillos, dobles o triples.
4. Se puede unir a otros carbonos, formando largas cadenas.
5. Los compuestos, siendo estables, a la vez, pueden ser
transformados por reacciones químicas.
6. El carbono unido al oxígeno forma compuestos 7. Todas estas propiedades derivan de su pequeño radio atómico y a
la presencia de 4 electrones en su última capa.
8. El Hidrógeno, el Oxígeno y el Nitrógeno también son capaces de
unirse mediante enlaces covalentes estables. Forman parte de las cadenas de carbono que componen las moléculas de los seres vivos.
Bioelementos secundarios
9. Son elementos que se encuentran en menor proporción en los seres
vivos. Se presentan en forma iónica2. 10.El Calcio puede encontrarse formando parte de los huesos, conchas,
caparazones, o como elemento indispensable para la contracción
muscular o la formación del tubo polínico.
1 Enlace covalente: son las fuerzas que mantienen unidos entre sí los átomos no metálicos
(los elementos situados a la derecha en la tabla periódica -C, O, F, Cl, ...).Esos átomos no ceden electrones sino que los comparten produciendo así fuertes uniones entre los átomos. 2 Ion es un átomo o grupo atómico que ha perdido o ganado electrones adquiriendo carga positiva o negativa.
3
11.El Sodio y el Potasio son esenciales para la transmisión del impulso
nervioso. Junto con el Cloro y el Iodo, contribuyen al mantenimiento
de la cantidad de agua en los seres vivos.
12.El Magnesio forma parte de la estructura de la molécula de la
clorofila y el Hierro forma parte de la estructura de proteína transportadoras.
13.Oligoelementos Los oligoelementos aparecen en muy baja proporción en la materia viva . Alguno de estos elementos no se manifiesta en ciertos seres. Sin embargo, como el caso del Silicio, puede ser muy abundante en determinados seres vivos, como diatomeas,
Gramíneas o Equisetos.
LAS BIOMOLÉCULAS
Los bioelementos se combinan entre sí para formar las moléculas que componen la materia viva. Estas moléculas reciben el nombre de
Biomoléculas o Principios Inmediatos.
Las biomoléculas, para poder ser estudiadas, deben ser extraídas de los
seres vivos mediante procedimientos físicos, nunca químicos, ya que si
así fuera, su estructura molecular se alteraría.
Las biomoléculas se clasifican atendiendo a su composición. Las
biomoléculas inorgánicas son las que no están formadas por cadenas de carbono, como son el agua, las sales minerales o los gases. Las
moléculas orgánicas están formadas por cadenas de carbono y se
denominan Glúcidos, Lípidos, Prótidos y Ácidos nucleicos.
EL AGUA
El agua es una biomolécula inorgánica. Se trata de la biomolécula más
abundante en los seres vivos. En las medusas, puede alcanzar el 98% del
volumen del animal y en la lechuga, el 97% del volumen de la planta.
Estructuras como el líquido interno de animales o plantas, embriones o
tejidos conjuntivos suelen contener gran cantidad de agua. Otras
estructuras, como semillas, huesos, pelo, escamas o dientes poseen poca cantidad de agua en su composición.
Estructura
El agua es una molécula formada por dos átomos de Hidrógeno y uno de Oxígeno. La unión de esos elementos con diferente electronegatividad3
proporciona unas características poco frecuentes. Estas características son:
La molécula de agua forma un ángulo de 104,5º.
La molécula de agua es neutra.
La molécula de agua, aun siendo neutra, forma un dipolo, aparece
una zona con un diferencial de carga positivo en la región de los
3 La electronegatividad de un elemento mide su tendencia a atraer hacia sí
electrones, cuando está químicamente combinado con otro átomo. Cuanto mayor sea, mayor será su capacidad para atraerlos.
4
Hidrógenos, y una zona con diferencial de carga negativo, en la
región del Oxígeno.
El dipolo facilita la unión entre moléculas, formando puentes de
hidrógeno, que unen la parte electropositiva de una molécula con la
electronegativa de otra.
Propiedades del agua
El agua tiene propiedades especiales, derivadas de su singular estructura. Estas
propiedades son:
Alto calor específico: para aumentar la temperatura del agua un grado centígrado es
necesario comunicarle mucha energía para
poder romper los puentes de Hidrógeno que
se generan entre las moléculas. Alto calor de vaporización: el agua
absorbe mucha energía cuando pasa de
estado líquido a gaseoso.
Alta tensión superficial: las moléculas de agua están muy cohesionadas por acción de
los puentes de Hidrógeno4. Esto produce
una película de agua en la zona de contacto
del agua con el aire. Como las moléculas de
agua están tan juntas el agua es incompresible.
Capilaridad: el agua tiene capacidad de
ascender por las paredes de un capilar debido
a la elevada cohesión molecular. Alta constante dieléctrica: la mayor parte
de las moléculas de agua forman un dipolo,
con un diferencial de carga negativo y un
diferencial de carga positivo. Bajo grado de ionización: la mayor parte
de las moléculas de agua no están
disociadas. Sólo un reducido número de
moléculas sufre disociación, generando iones
positivos (H+) e iones negativos (OH-). En el agua pura, a 25ºC, sólo una molécula de
cada 10.000.000 está disociada, por lo que la
concentración de H+ es de 10-7. Por esto, el
pH del agua pura es igual a 7.
La densidad del agua: en estado líquido, el agua es más densa que en estado sólido. Por ello, el hielo flota en el agua. Esto es debido a que los puentes de Hidrógeno formados a temperaturas bajo cero unen a las moléculas de agua ocupando mayor volumen.
4 El enlace puente de hidrógeno es una atracción que existe entre un átomo de
hidrógeno (carga positiva) con un átomo de O , N, Cl… que posee un par de electrones libres (carga negativa).
5
Importancia biológica del agua
Las propiedades del agua permiten aprovechar esta molécula para algunas
funciones para los seres vivos. Estas funciones son las siguientes:
Disolvente polar universal: el agua,
debido a su elevada constante dieléctrica, es el mejor disolvente para
todas aquellas moléculas polares. Sin
embargo, moléculas apolares no se
disuelven en el agua.
Lugar donde se realizan reacciones
químicas: debido a ser un buen
disolvente, por su elevada constante dieléctrica, y debido a su bajo grado de
ionización.
Función estructural: por su elevada
cohesión molecular, el agua confiere
estructura, volumen y resistencia.
Función de transporte: por ser un buen disolvente, debido a su elevada
constante dieléctrica, y por poder
ascender por las paredes de un capilar,
gracias a la elevada cohesión entre sus
moléculas, los seres vivos utilizan el
agua como medio de transporte por su interior.
Función amortiguadora: debido a su elevada
cohesión molecular, el agua sirve como lubricante entre estructuras que friccionan y evita el rozamiento.
Función termorreguladora: al tener un alto calor
específico y un alto calor de vaporización el agua es un material idóneo para mantener constante la temperatura, absorbiendo el exceso de calor o cediendo energía si es necesario.
LAS SALES MINERALES
Las sales minerales son biomoléculas inorgánicas que aparecen en los
seres vivos de forma precipitada, disuelta en forma de iones o asociada
a otras moléculas.
6
Precipitadas
Las sales se forman por unión de un ácido con una base
5, liberando agua. En forma precipitada forman
estructuras duras, que proporcionan estructura o protección al ser que las posee. Ejemplos son las
conchas, los caparazones o los esqueletos.
Disueltas
Las sales disueltas en agua manifiestan cargas positivas o negativas. Los cationes más abundantes en la composición de los seres vivos son Na+, K+,
Ca2+, Mg2+... Los aniones más representativos en la composición de los
seres vivos son Cl-, PO43-, CO3
2-... Las sales disueltas en agua pueden
realizar funciones tales como:
Mantener el grado de grado de salinidad.
Amortiguar cambios de pH6, mediante el efecto tampón. Controlar la contracción muscular
Producir gradientes electroquímicos
Estabilizar dispersiones coloidales.
Asociadas a otras moléculas
Los iones pueden asociarse a moléculas, permitiendo realizar funciones que,
por sí solos no podrían, y que tampoco realizaría la molécula a la que se
asocia, si no tuviera el ión. La hemoglobina es capaz de transportar
oxígeno por la sangre porque está unida a un ión Fe++. Los citocromos
actúan como transportadores de electrones porque poseen un ión
Fe+++. La clorofila captura energía luminosa en el proceso de fotosíntesis
por contener un ión Mg++ en su estructura.
Las biomoléculas orgánicas, atendiendo a la longitud y complejidad de su
cadena, se pueden clasificar como monómeros o polímeros. Los
monómeros son moléculas pequeñas, unidades moleculares que forman
parte de una molécula mayor. Los polímeros son agrupaciones de
monómeros, iguales o distintos, que componen una molécula de mayor
tamaño.
PRÓTIDOS
http://www.aula21.net/Nutriweb/pagmarco.htm
Los Prótidos son biomoléculas orgánicas. Están formados por Carbono,
Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno. En ocasiones aparecen Fósforo y
Azufre.
5 Base: sustancia química contraria al ácido. La soda cáustica es una base 6 El pH es una medida utilizada por la química para evaluar la acidez o alcalinidad
de una sustancia por lo general en su estado líquido
7
Este grupo está compuesto por tres tipos de moléculas, que se clasifican
atendiendo a su tamaño. Son los aminoácidos, los péptidos y las
proteínas.
Las proteínas son los materiales que desempeñan un mayor número de
funciones en las células de todos los seres vivos. Por un lado, forman parte de la estructura básica de los tejidos (músculos, tendones, piel, uñas, etc.)
y, por otro, desempeñan funciones metabólicas y reguladoras (asimilación
de nutrientes, transporte de oxígeno y de grasas en la sangre, inactivación
de materiales tóxicos o peligrosos, etc.). También son los elementos que
definen la identidad de cada ser vivo, ya que son la base de la estructura
del código genético (ADN) y de los sistemas de reconocimiento de
organismos extraños en el sistema inmunitario.
Son macromoléculas orgánicas, constituidas básicamente por carbono (C),
hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N); aunque pueden contener
también azufre (S) y fósforo (P) y, en menor proporción, hierro (Fe), cobre
(Cu), magnesio (Mg), yodo (I), etc.
Estos elementos químicos se agrupan para formar unidades estructurales
llamados AMINOÁCIDOS, a los cuales podríamos considerar como los "ladrillos de los edificios moleculares proteicos".
Se clasifican, de forma general, en Holoproteinas y Heteroproteinas
según estén formadas respectivamente sólo por aminoácidos o bien por
aminoácidos más otras moléculas o elementos adicionales no aminoacídicos.
Aminoácidos
Son moléculas pequeñas, monómeros de los péptidos y las proteínas.
Son cristalinos, casi todos dulces y presentan isomería, ya que poseen un carbono unido a cuatro radicales distintos (excepto en el caso de la
Glicocola). Por ello, es un carbono asimétrico. Uno de esos radicales
siempre es un grupo ácido (carboxilo) y el otro es básico (amina). El tercer
grupo es un Hidrógeno y el cuarto es un radical, característico de cada
aminoácido.
Los radicales confieren al aminoácido unas características propias. Por ello, estos radicales se utilizan como criterio de clasificación de los aminoácidos.
Formando parte de las proteínas existen 20 aminoácidos, que son -
aminoácidos. Existen otros muchos tipos de aminoácidos, pero no se
asocian formando macromoléculas.
8
Los Ocho AMINOACIDOS (8) Esenciales
L - Isoleucina: Función: Junto con la L-
Leucina y la Hormona del Crecimiento intervienen en la
formación y reparación del tejido
muscular.
L - Leucina: Función: Junto con la L-
Isoleucina y la Hormona del
Crecimiento (HGH) interviene con la formación y reparación del tejido
muscular.
L - Lisina: Función: Es uno de los más
importantes aminoácidos porque, en
asociación con varios aminoácidos más, interviene en diversas
funciones, incluyendo el crecimiento, reparación de tejidos,
anticuerpos del sistema inmunológico y síntesis de hormonas.
L - Metionina: Función: Colabora en la síntesis de proteínas y constituye el
principal limitante en las proteínas de la dieta. El aminoácido limitante
determina el porcentaje de alimento que va a utilizarse a nivel celular.
L - Fenilalanina: Función: Interviene en la producción del Colágeno,
fundamentalmente en la estructura de la piel y el tejido conectivo, y
también en la formación de diversas neurohormonas.
L - Triptófano: Función: Está implicado en el crecimiento y en la
producción hormonal, especialmente en la función de las glándulas de
secreción adrenal. También interviene en la síntesis de la serotonina,
neurohormona involucrada en la relajación y el sueño.
L - Treonina: Función: Junto con la con la L-Metionina y el ácido L-
Aspártico ayuda al hígado en sus funciones generales de desintoxicación.
Los aminoácidos son las unidades elementales constitutivas de las
moléculas denominadas Proteínas. Son pues, y en un muy elemental símil,
los "ladrillos" con los cuales el organismo reconstituye
permanentemente sus proteínas específicas consumidas por
la sola acción de vivir. Los alimentos que ingerimos nos
proveen proteínas. Pero tales proteínas no se absorben normalmente en tal constitución sino que, luego de su
desdoblamiento ("hidrólisis" o rotura), causado por el
proceso de digestión, atraviesan la pared intestinal en forma
de aminoácidos y cadenas cortas de péptidos. Esas
sustancias se incorporan inicialmente al torrente sanguíneo y, desde allí,
son distribuidas hacia los tejidos que las necesitan para formar las proteínas, consumidas durante el ciclo vital.
9
Se sabe que de los 20 aminoácidos proteicos conocidos, 8 resultan
indispensables (o esenciales) para la vida humana y 2 resultan
"semiindispensables". Son estos 10 aminoácidos los que requieren ser
incorporados al organismo en su cotidiana alimentación y, con más razón,
en los momentos en que el organismo más los necesita: en la disfunción o
enfermedad. Los aminoácidos esenciales más problemáticos son el
triptófano, la lisina y la metionina. Es típica su carencia en poblaciones en
las que los cereales o los tubérculos constituyen la base de la alimentación.
Los déficit de aminoácidos esenciales afectan mucho más a los niños que a
los adultos.
Hay que destacar que, si falta uno solo de ellos (aminoácido esenciales) no
será posible sintetizar ninguna de las proteínas en la que sea requerido
dicho aminoácido. Esto puede dar lugar a diferentes tipos de desnutrición,
según cual sea el aminoácido limitante.
Las proteínas
Las proteínas son moléculas formadas por aminoácidos unidos por enlace
peptídico. El número de aminoácidos suele ser mayor que cien y el peso
molecular excede de los 5.000 Daltons7.
La alternancia entre los enlaces rígidos (enlaces peptídicos) y los enlaces
móviles (enlaces intraaminoácido) hace que estas moléculas adquieran una
estructura bastante compleja.
Estas moléculas cumplen muchas y variadas funciones en los seres vivos.
Funciones de las proteínas
FUNCIONES
Las proteínas desempeñan distintas funciones en los seres vivos, como se
observa en la tabla siguiente:
Tipos Ejemplos Localización o función
Enzimas Ácido-graso-
sintetosa
Cataliza la síntesis de
ácidos grasos.
7En bioquímica, la unidad de masa atómica se denomina dalton (Da o D ). Una Unidad de masa atómica o uma, o Dalton nombrada en honor del químico John Dalton, es la más pequeña unidad de masa usada para expresar masas atómicas y masas moleculares . Equivale a una doceava parte de la masa del núcleo del isótopo más abundante del carbono: el 12C. Se corresponde aproximadamente con la masa de un protón (o un átomo de hidrógeno).
10
Reserva Ovoalbúmina Clara de huevo.
Transportadoras Hemoglobina Transporta el oxígeno
en la sangre.
Protectoras en la sangre
Anticuerpos Bloquean a sustancias extrañas.
Hormonas Insulina Regula el metabolismo
de la glucosa.
Estructurales Colágeno Tendones, cartílagos,
pelos.
Contráctiles Miosina Constituyente de las
fibras musculares
El mayor grupo lo constituyen las enzimas, que son los biocatalizadores de
todos los procesos químicos que tienen lugar en los seres vivos. Las
enzimas, en su gran mayoría, son específicas para cada reacción.
Función estructural: forman estructuras
capaces de soportar gran tensión
continuada, como un tendón o el
armazón proteico de un hueso o un
cartílago. También pueden soportar
tensión de forma intermitente, como la
elastina de la piel o de un pulmón.
Además, forman estructuras celulares,
como la membrana plasmática o los
ribosomas.
Movimiento y contracción: la actina y la
miosina forman estructuras que producen
movimiento. Mueven los músculos
estriados y lisos. La actina genera
movimiento de contracción en muchos
tipos de células animales.
Transporte: algunas proteínas tienen la
capacidad de transportar sustancias, como
oxígeno o lípidos, o electrones.
Reserva energética: proteínas grandes,
generalmente con grupos fosfato, sirven
para acumular y producir energía, si se
necesita.
Función homeostática: consiste en
regular las constantes del medio interno,
tales como pH o cantidad de agua.
Función defensiva: las inmunoglobulinas
son proteínas producidas por linfocitos B, e
11
implicadas en la defensa del organismo.
Función hormonal: algunas proteínas
funcionan como mensajeros de señales
hormonales, generando una respuesta en los órganos blanco.
Función enzimática: las enzimas
funcionan como biocatalizadores, ya que
controlan las reacciones metabólicas,
disminuyendo la energía de activación de
estas reacciones.
ESTRUCTURA DE LAS PROTEINAS
Estructura primaria
La estructura primaria es la secuencia de aminoácidos de la proteína. Nos
indica qué aminoácidos componen la cadena polipeptídica y el orden en que
dichos aminoácidos se encuentran. La función de una proteína depende de
su secuencia y de la forma que ésta adopte.
Estructura Secundaria.
12
La estructura secundaria es la disposición de la secuencia de aminoácidos
en el espacio. Los aminoácidos, a medida que van siendo enlazados durante
la síntesis de proteínas y gracias a la capacidad de giro de sus
enlaces, adquieren una disposición espacial estable, la estructura
secundaria.
Existen dos tipos de estructura secundaria:
1. La a(alfa)-hélice
2. La conformación beta
Estructura terciaria
La estructura terciaria informa sobre la disposición de la estructura
secundaria de un polipéptido al plegarse sobre sí misma originando una
conformación globular.
En definitiva, es la estructura primaria la que determina cuál será la
secundaria y por tanto la terciaria..
Esta conformación globular facilita la solubilidad en agua y así realizar
funciones de transporte , enzimáticas , hormonales, etc.
Esta conformación globular se mantiene estable gracias a la existencia de
enlaces entre los radicales R de los aminoácidos. Aparecen varios tipos de
enlaces:
el puente disulfuro entre los radicales de aminoácidos que tiene azufre.
los puentes de hidrógeno.
los puentes eléctricos.
Estructura Cuaternaria
Esta estructura informa de la unión , mediante enlaces débiles ( no
covalentes) de varias cadenas polipeptídicas con estructura terciaria, para
13
formar un complejo proteico. Cada una de estas cadenas polipeptídicas
recibe el nombre de protómero.
LAS ENZIMAS
En todos los organismos es preciso sintetizar macromoléculas a partir de
moléculas sencillas, y para establecer los enlaces entre éstas se necesita energía. Esta energía se consigue rompiendo los enlaces químicos internos
de otras macromoléculas, sustancias de reserva o alimentos. Todo ello
comporta una serie de reacciones coordinadas cuyo conjunto se denomina
metabolismo.
Dado que las sustancias que intervienen en estas reacciones son,
generalmente, muy estables, se requeriría una gran cantidad de energía
para que reaccionaran entre sí, ya que, si no, la velocidad de reacción sería nula o demasiado lenta. Para acelerar la reacción en un laboratorio bastaría
con aumentar la temperatura o bien con añadir un catalizador, es decir, una
sustancia que aumente la velocidad de la reacción. En los seres vivos, un
aumento de temperatura puede provocar la muerte, por lo que se opta por
la otra posibilidad, es decir, el concurso de catalizadores biológicos o
biocatalizadores. Las moléculas que desempeñan esta función son las enzimas. Las enzimas son, proteínas globulares capaces de catalizar las
reacciones metabólicas.
Son solubles en agua y se difunden bien en los líquidos orgánicos. Pueden
actuar a nivel intracelular, es decir, en el interior de la célula donde se han
formado, o a nivel extracelular, en la zona donde se segregan.
Las enzimas cumplen las dos leyes comunes a todos los catalizadores: la primera es que durante la reacción no se alteran, y la segunda es que no
desplazan la constante de equilibrio para que se obtenga más producto,
sino que simplemente favorecen que la misma cantidad de producto se
obtenga en menos tiempo. Las enzimas, a diferencia de los catalizadores no
biológicos, presentan una gran especificidad, actúan a temperatura
ambiente y consiguen un aumento de la velocidad de reacción de
un millón a un trillón de veces.
14
LOS ÁCIDOS NUCLEICOS
Los ácidos nucleicos son grandes moléculas constituidas por la unión de
monómeros, llamados nucleótidos. Los ácidos nucleicos son el ADN y el
ARN.
Nucleótidos
Los nucleótidos son moléculas que se pueden presentar libres en la Naturaleza o polimerizadas, formando ácidos nucleicos. También pueden formar parte de otras moléculas que no son ácidos nucleicos, como moléculas portadoras de energía o coenzimas.
Los nucleótidos se forman por la unión de una base nitrogenada, una pentosa y uno o más ácidos fosfóricos. La unión de una pentosa y una base nitrogenada origina un nucleósido, y su enlace se llama N - glucosídico. Por ello, también un nucleótido es un nucleósido unido a uno o más ácidos fosfóricos.
Las bases nitrogenadas pueden ser Púricas o Pirimidínicas.
Las pentosas pueden ser Ribosa, que forma nucleótidos libres y los
nucleótidos componentes del ARN, y Desoxirribosa, que forma los
nucleótidos componentes del ADN. Los carbonos que constituyen las pentosas se renumeran, denominándolos con números prima (5' por
ejemplo), para no confundirlos en nomenclatura con los carbonos de la base
nitrogenada.
La nomenclatura de los nucleótidos es compleja, pero sigue una
estructuración. Los nucleótidos de bases púricas se denominan:
Adenosin, (mono, di o tri fosfato), para la base nitrogenada
Adenina. Guanosin, (mono, di o tri fosfato), para la base nitrogenada
Guanina. Llevan el prefijo desoxi-, en el caso de estar formadas por
la pentosa desoxirribosa.
15
Los nucleótidos de bases pirimidínicas se llaman:
Citidin, (mono, di o tri fosfato), para la base nitrogenada Citosina.
Timidin, (mono, di o tri fosfato), para la base nitrogenada Timina.
Uridin, (mono, di o tri fosfato), para la base nitrogenada Uracilo.
Llevan el prefijo desoxi-, en el caso de estar formadas por la pentosa desoxirribosa.
EL ADN
El ADN es el Ácido DesoxirriboNucleico. Es el tipo de molécula más
compleja que se conoce. Su secuencia de nucleótidos contiene la información necesaria para poder controlar el metabolismo un ser vivo. El
ADN es el lugar donde reside la información genética de un ser vivo. El estudio de su estructura se puede hacer a varios niveles, apareciendo
estructuras, primaria, secundaria, terciaria, cuaternaria y niveles de empaquetamiento superiores.
Estructura primaria
El ADN está compuesto por una secuencia de nucleótidos formados por
desoxirribosa. Las bases nitrogenadas que se hallan formando los
nucleótidos de ADN son Adenina, Guanina, Citosina y Timina. No
aparece Uracilo. Los nucleótidos se unen entre sí mediante el grupo fosfato
del segundo nucleótido, que sirve de puente de unión entre el carbono 5' del primer nucleótido y el carbono 3' de siguiente nucleótido.
Como el primer nucleótido tiene libre el carbono 5' y el siguiente nucleótido
tiene libre el carbono 3', se dice que la secuencia de nucleótidos se ordena desde 5' a 3' (5' → 3').
Estructura secundaria
La estructura secundaria del ADN fue propuesta por James Watson y
Francis Crick, y la llamaron el modelo de doble hélice de ADN.
16
Este modelo está formado por dos hebras de nucleótidos. Estas dos hebras se sitúan de forma antiparalela, es decir, una orientada en sentido 5' → 3' y la otra de 3' → 5'. Las dos están paralelas, formando puentes de Hidrógeno
entre las bases nitrogenadas enfrentadas.
Cuando en una hebra encontramos Adenina,
en la otra hebra hallamos Timina. Cuando en una hebra encontramos Guanina, en la otra
hallamos Citosina. Estas bases enfrentadas son
las que constituyen los puentes de Hidrógeno.
Adenina forma dos puentes de Hidrógeno con
Timina. Guanina forma tres puentes de
Hidrógeno con la Citosina.
Las dos hebras están enrolladas en torno a un
eje imaginario, que gira en contra del sentido
de las agujas de un reloj. Las vueltas de estas
hélices se estabilizan mediante puentes de
Hidrógeno.
Esta estructura permite que las hebras que se
formen por duplicación de ADN sean copia complementaria de cada una de las hebras
existentes.
Estructura terciaria
El ADN es una molécula muy larga en algunas especies y, sin
embargo, en las células eucariotas se encuentra alojado dentro del
17
minúsculo núcleo. Cuando el ADN se une a proteínas básicas, la
estructura se compacta mucho.
Las proteínas básicas son Histonas o Protaminas.
La unión con Histonas genera la estructura denominada nucleo-soma.
Cada nucleosoma está compuesto por
una estructura voluminosa, denominada
core, seguida por un eslabón o "Linker".
El core está compuesto por un octámero
de proteínas, Histonas, denominadas H2A, H2B, H3 y H4. Cada tipo de histona
se presenta en número par. Esta
estructura está rodeada por un tramo de
ADN que da una vuelta y 3/4 en torno al
octámero. El Linker está formado por un
tramo de ADN que une un nucleosoma con otro y una histona H1.
El conjunto de la estructura se denomina
fibra de cromatina de 100Å. Tiene un
aspecto repetitivo en forma de collar de
perlas, donde las perlas serían los
nucleosomas, unidos por los linker.
El ADN debe encontrarse más compacto en el núcleo de los espermatozoides. En
este caso, el ADN se une a proteínas de
carácter más básico, denominadas
Protaminas. El ADN se enrolla sobre
estas proteínas, formando una estructura
muy compacta, denominada estructura cristalina del ADN.
Estructura cuaternaria
La cromatina en el núcleo tiene un grosor de 300Å. La fibra de cromatina de
100Å se empaqueta formando una fibra de cromatina de 300Å. El
enrollamiento que sufre el conjunto de nucleosomas recibe el nombre de
solenoide.
Los solenoides se enrollan formando la cromatina del núcleo interfásico de la célula eucariota. Cuando la célula entra en división, el ADN se compacta
más, formando los cromosomas.
EL ARN
El Ácido RiboNucleico está constituido por la unión de nucleótidos formados
por una pentosa, la Ribosa, un bases nitrogenadas, que son Adenina, Guanina, Citosina y Uracilo. No aparece la Timina.
18
Los nucleótidos se unen formando una cadena con una ordenación en la que
el primer nucleótido tiene libre el carbono 5’ de la pentosa. El último
nucleótido tiene libre el carbono 3’. Por ello, se dice que la ordenación de
la secuencia de nucleótidos va desde 5’ a 3’ .
En la célula aparecen cuatro tipos de ARN, con distintas funciones, que son el ARN mensajero, el ARN ribosómico, el ARN transferente y el ARN
heteronuclear.
ARN mensajero (ARNm)
ARN lineal, que contiene la información,
copiada del ADN, para sintetizar una proteína. Se forma en el núcleo celular, a
partir de una secuencia de ADN. Sale del
núcleo y se asocia a ribosomas, donde se
construye la proteína. A cada tres
nucleótidos (codon) corresponde un
aminoácido distinto. Así, la secuencia de aminoácidos de la proteína está configurada
a partir de la secuencia de los nucleótidos
del ARNm.
ARN ribosómico (ARNr)
El ARN ribosómico, o ribosomal, unido a
proteínas de carácter básico, forma los
ribosomas. Los ribosomas son las estructuras celulares donde se ensamblan
aminoácidos para formar proteínas, a partir
de la información que transmite el ARN
mensajero. Hay dos tipos de ribosomas,
el que se encuentra en células procariotas y
en el interior de mitocondrias y cloroplastos, y el que se encuentra en el hialoplasma o en
el retículo endoplásmico de células
eucariotas.
19
ARN transferente (ARNt)
El ARN transferente o soluble es un ARN
no lineal. En él se pueden observar tramos
de doble hélice intracatenaria, es decir,
entre las bases que son complementarias,
dentro de la misma cadena. Esta
estructura se estabiliza mediante puentes de Hidrógeno.
Además de los nucleótidos de Adenina,
Guanina, Citosina y Uracilo, el ARN
transferente presenta otros nucleótidos
con bases modificadas. Estos
nucleótidos no pueden emparejarse, y su existencia genera puntos de apertura en la
hélice, produciendo bucles.
En el ARNt se distinguen tres tramos
(brazos). En uno de ellos (1 en la figura),
aparece una secuencia de tres nucleótidos,
denominada anticodon. Esta secuencia es
complementaria con una secuencia del
ARNm, el codon. En el brazo opuesto (2
en la figura), en el extremo 3' de la
cadena, se une un aminoácido
específico predeterminado por la
secuencia de anticodon.
La función del ARNt consiste en llevar un
aminoácido específico al ribosoma. En él
se une a la secuencia complementaria del
ARNm, mediante el anticodon. A la vez,
transfiere el aminoácido
correspondiente a la secuencia de
aminoácidos que está formándose en el
ribosoma.
ARN heteronuclear (ARNhn)
El ARN heteronuclear, o heterogéneo nuclear, agrupa a todos los tipos de
ARN que acaban de ser transcritos (pre-ARN). Son moléculas de diversos tamaños.
Este ARN se encuentra en el núcleo de las células eucariotas. En células
20
procariotas no aparece.
Su función consiste en ser el precursor de los distintos tipos de ARN.
LA ESTRUCTURA Y EL FUNCIONAMIENTO DE LA CÉLULA
La célula es la unidad estructural y funcional de vida. En ella se
realizan todos los procesos que hacen posible la constitución de las
transformaciones vitales. Es una unidad que se repite en todos los
seres vivos. Consta de una serie de orgánulos que, con sus
estructuras definidas, son capaces de realizar complejas reacciones químicas que transforman energía en materia y materia en energía:
metabolismo celular.
Estas unidades de vida abarcan la totalidad de los seres que
comprenden los cinco reinos de la naturaleza, bien en estado
independiente y solitario (seres unicelulares) o bien agregadas y
unidas, organizadas y con reparto de funciones (seres pluricelulares).
Las formas, tamaños y composición o cantidad de determinados
orgánulos en las células varía de unos tipos celulares a otros, si
bien la estructura general se mantiene constante e invariable.
A lo largo de este tema recorreremos la célula de fuera hacia
dentro y captaremos la estructura, composición y función de cada
pieza básica de esta "unidad de vida".
FORMA, TAMAÑO Y ESTRUCTURA GENERAL DE LA CÉLULA:
La célula es una estructura constituida por tres elementos básicos: membrana
plasmática, citoplasma y material genético (ADN). Posee la capacidad de realizar
tres funciones vitales: nutrición, relación y reproducción. La célula es la unidad más simple conocida, lleva a cabo esas tres funciones
vitales por sí misma, es decir, sin necesidad de otros seres vivos.
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Los virus, aunque considerados por algunos autores como
seres vivos, precisan invadir a una célula viva para
conseguir la reproducción, por lo tanto no son la forma
más simple de vida autónoma. Deben ser considerados
como materia viva, pero son una forma de vida acelular.
Las células presentan una gran variabilidad de formas, e incluso,
algunas no ofrecen una forma fija. Pueden ser: fusiformes (forma de
huso), estrelladas, prismáticas, aplanadas, elípticas, globosas o
redondeadas, etc. Algunas no tienen una pared rígida y otras sí, lo que
les permite deformar la membrana y emitir prolongaciones citoplasmáticas (pseudópodos) para desplazarse o conseguir alimento.
Hay células libres que no muestran esas estructuras de desplazamiento
pero poseen cilios o flagelos que son estructuras derivadas de un
orgánulo celular (centriolo) el cual dota a estas células de movimiento.
Las células pueden estar unidas, formando tejidos, y pueden no poseer
una pared rígida que las envuelva. En este sentido, las uniones entre células generan un tipo de tensiones que condiciona la forma final del
tejido resultante.
Los tejidos formados por células que sí poseen esta rígida pared celular
por el contrario presentan una forma mucho más estable.
La función que realice la célula determina la forma de la misma. Así encontramos diferentes tipos de células: células contráctiles que suelen
ser alargadas. Las del tejido nervioso irregulares y con prolongaciones que
permiten la transmisión del impulso nervioso. Las del intestino suelen
tener pliegues en una de sus caras (microvellosidades) que amplían la
superficie de contacto y de intercambio de sustancias. Y, finalmente, las
epiteliales que suelen ser cúbicas o prismáticas.
El tamaño es extremadamente variable. Existen bacterias con 1 y 2
micras de longitud. Las células humanas presentan mucha variabilidad:
glóbulos rojos de 7 micras, células del hígado con 20 micras,
espermatozoides de 53 micras y oocitos de 150 micras.
En los vegetales los granos de polen pueden llegar a medir de 200 a 300
micras y algunos oocitos de aves pueden medir entre 1 (codorniz) y 7
centímetros (avestruz) de diámetro. En cualquier caso, para la viabilidad de la célula y su correcto
funcionamiento siempre se debe tener en cuenta la relación superficie-
volumen. Puede aumentar considerablemente el volumen de la célula y
no así su superficie de intercambio de membrana lo que dificultaría el nivel
y regulación de los intercambios de sustancias vitales para la célula.
También es importante la relación entre volumen citoplasmático y
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volumen nuclear. El mismo número de cromosomas no puede controlar
un aumento de volumen desproporcionado, puesto que no regularía y ni controlaría adecuadamente las funciones de toda la célula.
Dentro de la estructura general de una célula debemos señalar las
partes que poseen todas las células de forma común: membrana
plasmática, citoplasma y ADN o material genético y los orgánulos o
estructuras que las hacen diferentes según sean procariotas,
eucariotas, animales y vegetales.
Las células procariotas son propias del
reino moneras (bacterias y cianobacterias).
Tienen en común con el resto de las células
de otros organismos vivos una membrana
plasmática, citoplasma y material genético,
pero además muestran, por fuera de la
membrana plasmática, una gruesa pared celular. En su interior son mucho más simples
que las eucariotas y sólo existen ribosomas y
unas pequeñas invaginaciones de la membrana, llamadas mesosomas.
No presentan núcleo y su ADN se encuentra más o menos condensado en
una porción del citoplasma llamada nucleoide.
Las células eucariotas son
propias del resto de los reinos
de la naturaleza (protoctista,
hongos, animal y vegetal).
Presentan membrana
plasmática, citoplasma (más
complicado que en procariotas) que contiene un complejo
sistema endomembranoso
(retículos, aparato de Golgi,
vesículas, vacuolas, etc.), unos
orgánulos transductores de
energía (mitocondrias y cloroplastos) y estructuras
carentes de membrana (centríolos, ribosomas, microtúbulos y
microfilamentos). El núcleo de estas células está independiente del resto
23
del citoplasma por una membrana nuclear con numerosos poros. Este
núcleo contiene el ADN de la célula condensado en cromosomas o
descondensado en cromatina, según el momento del ciclo celular .
ORGÁNULOS CELULARES.
Las células eucariotas presentan un complejo sistema de membranas internas que llega a ocupar la mitad de la célula. Es el sistema
endomembranoso que
divide la célula en
diversos
compartimentos (ap.
Golgi, retículo
endoplasmático, vesículas, lisosomas,
etc.). En cada uno de
ellos se realiza una
función específica, una
reacción bioquímica
vital para el correcto funcionamiento de la
célula. Muchos de los
orgánulos celulares
están interrelacionados
y complementan su
función. Existen dos tipos de compartimentos, además de los del sistema endomembranoso que muestran una doble membrana y son orgánulos
productores de energía: mitocondrias y cloroplastos.
Los Ribosomas.
Los ribosomas son estructuras globulares, carentes de membrana.
Están formados químicamente por varias proteínas asociadas a ARN
ribosomico procedente del nucléolo. Pueden encontrarse libres en el citoplasma o adheridos a las membranas del retículo endoplasmático.
Unas proteínas (riboforinas) sirven de nexo entre ambas estructuras.
Su estructura es sencilla: dos subunidades (una mayor o otra menor)
de diferente coeficiente de sedimentación.
Su función consiste únicamente en ser el orgánulo lector del ARN
mensajero, con órdenes de ensamblar los aminoácidos que formarán la
proteína. Son orgánulos sintetizadores de proteínas.
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Retículo Endoplasmático.
El retículo endoplasmático es un sistema membranoso cuya
estructura consiste en una red de sáculos aplanados o cisternas,
sáculos globosos o vesículas y túbulos sinuosos que se extienden por
todo el citoplasma y comunican con la membrana nuclear externa. Dentro de esos sacos aplanados existe un espacio llamado lúmen que
almacena las sustancias. Existen dos clases de retículo endoplasmático:
R.E. rugoso (con ribosomas adheridos) y R.E. liso (libres de ribosomas
asociados).
Su función primordial es la síntesis de proteínas, la síntesis de lípidos
constituyentes de membrana y la participación en procesos de detoxificación de la célula.
Aparato de Golgi.
El aparato de Golgi forma parte del sistema membranoso celular. Está formado por una estructura de sacos aplanados o cisternas (dictiosoma) acompañados de vesículas de secreción. Se sitúa próximo al núcleo y en células animales rodeando al centríolo. Las cisternas poseen una cara cis y otra trans, con orientaciones diferentes. La cara cis se orienta hacia el RER y la trans hacia la membrana citoplasmática. Las conexiones entre cisternas se realizan por vesículas de transición.
Las funciones del Ap. De Golgi son diversas: desempeña un papel organizador dentro de la célula, participa en el transporte, maduración,
clasificación y distribución de proteínas, termina la glucosilación de
lípidos y proteínas y sintetiza mucopolisacáridos de la matriz extracelular
de células animales y sustancias como pectina, celulosa y hemicelulosa
que forman la pared de las vegetales.
Lisosomas.
Los lisosomas son vesículas procedentes del Ap. De Golgi que contienen
enzimas digestivas como hidrolasas ácidas.
Tienen una estructura muy sencilla, basada fundamentalmente en una
membrana plasmática que almacena en su interior las proteínas. La cara interior de la membrana está muy glucosilada para impedir el ataque de
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las propias enzimas de su contenido interno.
Su función consiste en realizar la digestión de la materia orgánica,
rompiendo enlaces fosfoestéricos y liberando grupos fosfato con su
enzima principal la fosfatasa ácida. Necesitan un Ph de entre 3-6 por lo
tanto meten protones hacia su interior gastando ATP.
Vacuolas e inclusiones.
Las vacuolas son vesículas constituidas por una membrana plasmática en cuyo interior existe fundamentalmente agua. Cuando además de agua
existen otras sustancias de forma predominante se llaman inclusiones.
Se forman a partir del retículo endoplasmático, del aparato de Golgi o de
invaginaciones de la membrana plasmática. En animales suelen ser
pequeñas y se llaman vesículas. En vegetales son muy grandes y se
llaman tonoplastos que pueden llegar a formar hasta un 50-90% del
volumen celular.
Sus funciones son: acumular agua aumentando el volumen de la célula
sin aumentar el tamaño del citoplasma ni su salinidad; almacenar
sustancias energéticas, tóxicas, venenos, sustancias de desecho, etc.
Constituyen el medio de transporte de sustancias entre orgánulos del
sistema endomembranoso. En células animales existen además vacuolas
fagocíticas, pinnocíticas y pulsátiles. Entre las inclusiones, las funciones más importantes son almacenar
resinas o látex.
Mitocondrias.
Las mitocondrias son orgánulos celulares que se encargan de la
obtención de la energía mediante la respiración celular, proceso de
oxidación en el que intervienen las ATP sintetasas. La energía obtenida se
guarda en forma de ATP. Es un orgánulo común a células animales y vegetales.
Estructura: son orgánulos polimorfos, esféricos o como bastoncillos.
Poseen una doble membrana (externa e interna), separada por un espacio
intermembranoso. La membrana interior se pliega y produce unas crestas
mitocondriales. En el interior de la mitocondria existe un gel llamado
matriz mitocondrial. En la membrana interna, en las crestas mitocondriales, se sitúan las ATP sintetasas. En su interior posee un
cromosoma independiente de el que posee el núcleo celular.
Funciones: realizan la respiración celular o mitocondrial; en la matriz se
efectúa el ciclo de Krebs, la oxidación de los ácidos grasos, la biosíntesis
de proteínas en los ribosomas y la duplicación del ADN mitocondrial
Cloroplastos.
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Los cloroplastos son orgánulos típicos y exclusivos de las células
vegetales que poseen clorofila. Por ellos las plantas son capaces de
realizar el proceso de fotosíntesis, proceso que transforma la energía
luminosa en energía química contenida en las moléculas de ATP. Como las
mitocondrias, también producen energía.
Estructura: son polimorfos y de color verde por la acumulación de
clorofila. Su forma más frecuente es lenticular, ovoide o esférico. También
presenta una doble membrana (externa e interna) y entre ellas un espacio
intermembranoso. El interior se rellena por un gel llamado estroma.
Presenta un ADN independiente del núcleo y plastorribosomas. Inmersos
en el estroma existen unos sacos aplanados llamados tilacoides o lamelas
cuyo interior se llama lúmen. Los tilacoides pueden extenderse por todo el estroma o apilarse formando paquetes llamados grana. En la membrana
de los grana o tilacoides se ubican los sistemas enzimáticos que captan la
energía del sol y efectúan el transporte de electrones para formar ATP.
Función: la más importante es la realización de la fotosíntesis en la que,
aparte de la transformación energética, existe una transformación de materia inorgánica a orgánica, utilizando el ATP sintetizado a partir de la
luz solar. En el cloroplasto se produce la fase luminosa y oscura de la
fotosíntesis además de la biosíntesis de proteínas y la duplicación de su
propio ADN
EL NÚCLEO:
El núcleo es una estructura constituida por una doble membrana,
denominada envoltura nuclear que rodea al ADN de la célula
separándolo del citoplasma. El medio interno se denomina
nucleoplasma y en él están sumergidas, más o menos condensadas, las
fibras de ADN que se llaman cromatina y corpúsculos formados por ARN
conocidos como nucléolos.
Envoltura nuclear.
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La envoltura nuclear presenta una estructura basada en una doble
membrana. Entre la membrana externa e interna de esa envoltura existe
un espacio intermembranal, llamado espacio perinuclear. Bajo la
membrana interna existe una capa de proteínas fibrilares llamada lámina
fibrosa. El origen de la membrana nuclear es el retículo endoplasmático. Presenta una serie de poros que comunican ambos sistemas. Estos poros
tienen una compleja estructura basada en la organización de una serie
de proteínas que forman el complejo del poro nuclear.
Las funciones de esta envoltura son: separar al citoplasma del
nucleoplasma, y mantener separados los procesos metabólicos de ambos
medios. Además regula el intercambio de sustancias a través de los
poros y la lámina nuclear permite la unión con las fibras de ADN para formar los cromosomas.
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