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- Escrito por: Germán Fernández
- Categoría: Fundamentos de bioquímica
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La bioquímica puede definirse como la ciencia que se ocupa del estudio de los constituyentes químicos de las células vivas y las reacciones y procesos que experimentan. La bioquímica también tiene el objetivo de explicar el origen de la vida, un fascinante tema que aún se encuentra en sus primeras etapas.
La vida surgió sobre la faz de la tierra hace unos tres mil millones de años en forma de microorganismos con capacidad para obtener energía a partir de compuestos orgánicos ,inorgánicos o incluso de la luz solar. Esta energía junto a compuestos presentes en la superficie terrestre permitieron la síntesis de una gran variedad de moléculas orgánicas complejas que unidas de forma adecuada dan lugar a las complejas propiedades de los organismos vivos.
Composición química de los seres vivos
Los seres vivos están formados por diferentes moléculas orgánicas e inorgánicas, siendo el agua la sustancia más abundante, constituye entre el 50% y 95% del contenido en peso de una célula. Los cationes sodio, potasio, magnesio y calcio pueden llegar a representar el 1%. El resto del peso de los organismos vivos está formado de macromoléculas compuestas principalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre, así como pequeñas cantidades de otros elementos metálicos y no metálicos.
La mayoría de las biomoléculas poseen un esqueleto carbonado al que se unen diferentes grupos, llamados grupos funcionales, que les confieren propiedades y reactividades características. Así, los azúcares poseen en su estructura los grupos funcionales carbonilo e hidroxilo. Los aminoácidos poseen el grupo amino y el grupo ácido, pudendo contener otros grupos funcionales en su cadena.
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La enorme diversidad de vida que existe en la naturaleza hace que no sea fácil contestar a esta pregunta. Sin embargo, desde el punto de vista bioquímico todos los seres vivos se comportan de un modo semejante y obedecen a las mismas leyes físicas y químicas. Tanto una ballena como un pequeño microorganismo están formados por las mismas moléculas y comparten multitud de procesos bioquímicos.
Veamos las características principales que definen la vida:
- Todos los organismos vivos están formados principalmente por moléculas orgánicas, muchas de las cuales presentan una elevada complejidad y formas tridimensionales de las que depende su función. La vida se basa en miles de reacciones químicas que ocurren entre estas biomoléculas y son responsables de procesos vitales como el crecimiento.
- Los seres vivos están organizados en una serie de niveles jerárquicos, y en cada nivel van surgiendo propiedades nuevas que no existen en los niveles anteriores. El nivel más básico lo constituyen las partículas subatómicas, estas partículas forman los átomos que a su vez se unen para formar pequeñas biomoléculas (aminoácidos, azúcares, nucleótidos...). En el siguiente nivel de jerarquía las biomoléculas se unen entre sí formando macromoléculas (proteínas, ácidos nucleóicos, polisacáridos), que a su vez pueden combinarse para formar estructruras aún mayores, estructuras supramoleculares. Estas estructuras supramoleculareas se asocian para formar los orgánulos que componen la célula. En el caso de los organismos multicelulares tenemos una jerarquía superior formada por la unión de millones de células que dan lugar a los órganos.
Según subimos en los diferentes niveles de organización van surgiendo propiedades nuevas que no se prodrían predecir en los niveles anteriores. Un ejemplo muy visual de como cambian las propiedades según subimos en los diferentes niveles lo encontramos en el hierro de la hemoglobina. El hierro aislado se oxida en presencia del oxígeno, sin embargo, el grupo hemo lo protege de esta oxidación. Las propiedades del hierro cambian al formar parte del complejo proteico. Según vamos subiendo de nivel jerárquico van emergiendo propiedades que no existían en los niveles anteriores.
Para mantener el alto nivel de organización y orden, los seres vivos se ven obligados a procesar materia de forma continua, expulsando a su vez productos de desecho. Estas tareas se realizan mediante reacciones bioquímicas catalizadas por enzimas, denominádose metabolismo al conjunto de reacciones que tienen lugar en un ser vivo.
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Las formas de vida más antiguas de las que hay constancia datan de hace 3800 millones de años y eran de tipo procariota (células sin núcleo). Las especies eucariotas surgieron hace unos 1800 millones de años. Probablemente el número de especies vivas que pueblan la tierra actualmente sea de varias decenas de millones, siendo la mayoría de ellas organismos procariotas.
Los organismo procariotas son unicelulares y carecen de un núcleo que separe el material genético del resto de la célula. Se pensaba que el mundo procariota estaba constituído por bacterias, pero análisis de secuencias de ARN llevadas a cabo en los años 80, mostraron que existen grandes diferencias genéticas entre dos grupos de procariotas; bacterias y arqueas. Aunque la apariencia externa es similar, las diferencias bioquímicas son tan importantes que obligan a clasificar a los seres vivos en tres dominios: bacterias, arqueas y eucariotas.
Todos los seres vivos pluricelulares (animales, vegetales, hongos..) están formados por células eucariotas, sin embargo, la biomasa formada por procariotas es 10 veces mayor. Las células eucariotas se encuentran en el suelo, el agua, el aire, viven el el tubo digestivo de los animales, sobre la piel e incluso se pueden encontrar a varios kilómetros de profundidad.
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Se llama metabolismo al conjunto de procesos bioquímicos que ocurren en un ser vivo. Se trata de miles de reacciones bioquímicas cada una de ellas catalizada por un enzima específico cuya misión es la adquisición de energía, la síntesis de las biomoléculas necesarias para el funcionamiento de la célula, el crecimiento y la eliminación de productos de desecho.
Aunque muy numerosas, las reacciones químicas que ocurren en las células poseen los mismos mecanismos que las reacciones estudiadas en química orgánica, además se pueden clasificar en unos pocos tipos de reacciones: sustitución nucleófila, eliminación, adición, isomerización y oxidación-reducción.
Reacciones de sustitución nucleófila
Son reacciones orgánicas en las que se reemplaza un átomo o grupo de átomos por otro. En esta reacción participa un sustrato, que posee un grupo saliente sobre un carbono con fuerte polaridad positiva. Dicho carbono será atacado por el nucleófilo, especie con pares libres y muy habitualmente con carga negativa. Como resultado se produce la sustitución del grupo saliente por el nucleófilo.
Un ejemplo de este tipo de reacción es la formación de la glucosa-6-fosfato por ataque nucleófilo del -OH de la posición 6 de la glucosa sobre el fósforo del ATP, siendo el adenosín difosfato el grupo saliente.
[1] Glucosa
[2] Adenosín trifosfato (ATP)
[3] Adenosín difosfato (ADP)
[4] Glucosa-6-fosfato
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La célula es una máquina térmica capaz de generar energía a temperatura y presión ambientales, hecho fundamental dada la fragilidad de las estructuras biológicas. Las células producen la mayor parte de su energía mediante procesos redox, en los que las moléculas que actúan como alimento son oxidadas, pierden electrones, que son ganados por otras moléculas con deficiencia electrónica.
Esta ganancia o pérdida de electrones generalmente se realiza mediante intercambio de radicales hidrógeno o iones hidruro. Son los coenzimas redox FAD (dinucleótido de flavina) y NAD+ (nicotinamida adenina dinucleotido) los encargados de eliminar hidrógenos de los sustratos, transformándose en FADH2 y NADH.
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El metabolismo engloba a todas las reacciones bioquímcas que tienen lugar en una célula. Estas reacciones están catalizadas por enzimas y muchas de ellas están acopladas, de manera que el producto una reacción es el reactivo de la siguiente. Por ello, muchas reacciones se pueden agrupar en rutas bioquímicas.
Las rutas dedicadas a la biosíntesis de macromoléculas a partir de sus constituyentes básicos se denominan anabólicas. Por ejemplo, la síntesis proteíca a partir de aminoácidos o la síntesis de ADN o ARN a partir de los nucleótidos. Estas rutas precisan de un aporte energético que puede provenir de la radiación solar o de la degradación de otras macromoléculas.