BIOQUIMICA

1. INTRODUCCIÓN A LA BIOQUIMICA La lógica molecular de los organismos vivos Los seres vivos están integrados por moléculas inanimadas. Cuando se examinan individualmente, estas moléculas aisladas se ajustan a todas las leyes físicas y químicas que rigen el comportamiento de la materia inerte. Sin embargo, los organismos vivos poseen, además, unos atributos extraordinarios que no exhiben cúmulos de materia inanimada. Si examinamos algunas de estas propiedades especiales, podremos acercarnos al estudio de la bioquímica con una mejor comprensión de los problemas fundamentales que trata de explicar. Características que identifican a la materia viva El atributo más sobresaliente de los seres vivos es, quizá, su complejidad y su alto grado de organización. Poseen estructuras internas intrincadas que contienen muchas clases de moléculas complejas. Se presentan, además, en una variedad asombrosa de especies diferentes. Por contraste, la materia inanimada de su entorno, representada por el suelo, el agua y las rocas, está constituida habitualmente por mezclas fortuitas de compuestos químicos sencillos, de organización estructural más bien escasa. En segundo lugar, cada una de las tres partes componentes de la materia viva cumple un propósito o función específicos. Ello es cierto no solamente en lo referente a estructuras visibles como alas, ojos, flores u hojas, sino también a estructuras intracelulares tales como el núcleo y la membrana. Además los compuestos químicos individuales de la célula, tales como los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos, poseen también funcionesespecíficas. En los organismos vivos es completamente legítimo preguntarse cuál es la función de una molécula determinada. En cambio, carece de sentido plantear dicha pregunta con relación a la materia inerte. En tercer lugar, los organismos vivos presentan la capacidad de extraer y transformar la energía de su entorno a partir de materias primas sencillas, y de emplearla para edificar y mantener sus propias e intrincadas estructuras. Pueden realizar, además, otras formas de trabajo útil, como, por ejemplo, el esfuerzo mecánico de la locomoción. La materia inanimada no posee esta capacidad de emplear la energía externa para mantener su propia organización estructural. De hecho, habitualmente se degrada a un estado más desordenado cuando absorbe energía externa, ya sea en forma de calor o de luz. Pero el atributo más extraordinario de los organismos vivos consiste en su capacidad de producir una réplica exacta de si mismos, propiedad que puede considerarse la verdadera quintaesencia de la vida. El conjunto de la materia inanimada que nos es familiar no muestra la capacidad de reproducirse de «generación» en «generación» en formas idénticas en masa, forma y estructura interna. Bioquímica del estado vital Podemos preguntarnos ahora: si los organismos vivos están compuestos por moléculas

2. intrínsecamente inanimadas, ¿cómo es que la materia viva se diferencia de modo tan radical de la inerte, que también está constituida por la misma clase de moléculas inanimadas? ¿Por qué los organismos vivos son algo más que la suma de sus partes inanimadas? Los filósofos medievales habrían contestado que losorganismos vivos están dotados de una fuerza vital misteriosa y divina. Pero esta doctrina, que recibe el nombre de «vitalismo», es una superstición y ha sido descartada por la ciencia moderna. La meta básica actual de la bioquímica es determinar de qué modo el conjunto de moléculas inanimadas que constituyen los organismos vivos se influyen mutuamente para constituir, mantener y perpetuar el estado de vida. La bioquímica es una ciencia muy joven. Hasta hace unas pocas décadas solamente un reducido número de universidades la reconocían como una ciencia por su propio derecho. En la genealogía de la bioquímica actual existen dos líneas matrices. Una de ellas procede de la medicina y de la fisiología, como subproducto de las primeras investigaciones acerca de la composición química de la sangre, la orina y los tejidos, y sus variaciones con los estados de salud y de enfermedad. La otra línea deriva de la química orgánica, desde los estudios iniciales acerca de la estructura de los compuestos orgánicos que existen en la naturaleza. Durante mucho tiempo, la bioquímica fue considerada simplemente como una rama de la fisiología o de la química. Realmente no surge como ciencia adulta por derecho propio con poderosos métodos experimentales y visión de predicción de los fenómenos biológicos hasta el último cuarto de siglo. Son dos los hechos principales que lo han ocasionado. Uno de ellos es el reconocimiento de los sistemas multienzimáticos como unidades catalíticas en las rutas metabólicas principales, y el desarrollo de liria hipótesis unitaria para la transferencia de energía en las células vivas.El otro, que ha ejercido una profunda y muy penetrante influencia, fue el reconocimiento de que la herencia, uno de los aspectos más fundamentales de la biología, descansa sobre una base molecular racional. En la actualidad, la bioquímica está realizando interesantes pruebas en cierto número de áreas fundamentales de la biología —]a_ diferenciación de las células y de los organismos, el origen de la vida y la evolución, el comportamiento y la memoria y las enfermedades humanas— pruebas que han demostrado" que estos problemas básicos pueden ser abordados con provecho mediante los métodos bioquímicos. Realmente, el éxito de la bioquímica en la explicación de muchos fenómenos celulares ha sido tan grande, que muchos científicos han llegado a la conclusión de que la biologia es química. Algunos biólogos no comparten este punto de vista; mantienen que la esencia de los organismos vivos complejos no puede reducirse, ni ahora ni nunca, al nivel de moléculas y de interacciones moleculares. Pero éste es un punto de vista minoritario. En la actualidad es quizás más lógico admitir, como filosofía de trabajo, que todos los fenómenos biológicos descansan, en último término, sobre una base molecular y abandonar este punto de vista solamente cuando no se muestre útil para plantear experimentos críticos o para explicar los datos experimentales. Esto no quiere decir que la biología sea simplemente otro campo de la química, comparable a la química orgánica, la química fisica o la química inorgánica. Si la biologia es química, es una especie de superquímica que comprende, pero al mismo tiempo que trasciende, loscampos tradicionales de la química. Y ello se debe a que las moléculas que integran los organismos vivos no solamente se rigen por todos los principios físicos y químicos que gobiernan el comportamiento de todas las moléculas, sino que, además, ejercen acciones mutuas de acuerdo con otro conjunto de principios a los

3. cuales nos referiremos de modo colectivo como la lógica molecular de la vida. Estos principios no "incluyen necesariamente ninguna ley o fuerza física nueva o todavía por descubrir. Deben considerarse más bien un conjunto único de “reglas fundamentales” que gobiernan la naturaleza, la función y las interacciones ile los tipos específicos de moléculas presentes en los organismos vivos, y les dotan de ¡a capacidad de organizarse y replicarse por sí mismos. No se han identificado todavía todos los principios que comprende la lógica molecular de la vida, y algunos de ellos sólo se perciben débilmente. En realidad, resulta quizá más apropiado hablar de estos principios como axiomas, puesto qué varios de ellos son intuitivos y aún no comprobables. Veamos ahora si podemos identificar alguno de los axiomas importantes de la lógica molecular de la vida. Comenzaremos con una breve visión de la estructura y función de las moléculas halladas en la materia viva, a las que denominaremos biomoléculas. Biomoléculas La composición química de los seres vivos es, cualitativamente, muy diferente de la del entorno físico en que viven. La mayor parte de los componentes químicos de los organismos son compuestos orgánicos el carbono en los que el elemento se halla relativamente reducido ohidrogenado. Muchas biomoléculas orgánicas contienen también nitrógeno. Por el contrario, los elementos nitrógeno y carbono no son abundantes en la materia inerte y se encuentran en la atmósfera y en la corteza terrestre en formas inorgánicas sencillas, tales como dióxido de carbono, nitrógeno molecular, carbonatos y nitratos. Los compuestos orgánicos presentes en la materia viva muestran enorme variedad, y la mayor parte de ellos son extraordinariamente complejos. Aun las más sencillas de las células, las bacterias, contienen gran número de distintas moléculas orgánicas. Se calcula que la bacteria Eschcrichia coli contiene alrededor de 5000 compuestos orgánicos diferentes.' entre ellos unas 3000 clases diferentes de proteínas y 1000' tipos distintos de ácidos nucleicos. Además, la mayor parte de la materia orgánica en las células vivas está constituida/ por macromoléculas, de pesos moleculares muy grandes, que*' incluyen no solamente a las proteínas y a los ácidos nucleicos sino también a sustancias polímeras tales como el almidón y la celulosa. Si consideramos ahora organismos mayores y más complejos, como son los animales y las plantas superiores, hallaremos que también contienen proteínas y ácidos nucleicos, en mayor variedad. En el organismo humano, por ejemplo, puede haber hasta 100 000 clases de proteínas diferentes, en comparación con las 3000 distintas de E. coli. Aunque algunas de las proteínas de las células de E. coli actúan de modo muy semejante al que lo hacen determinadas proteínas de las células humanas, ninguna de las moléculas proteicas deE. coli es idéntica a cualquiera de las proteínas encontradas en el hombre. De hecho, cada especie de organismo posee su propio conjunto de moléculas proteicas y de ácidos nucleicos químicamente diferentes. Puesto que es probable que existan alrededor de 1,5 millones de especies de organismos vivientes, puede calcularse que el conjunto de las especies vivientes debe de contener entre 1010 y 1012 tipos distintos de moléculas proteicas y unas 1010 clases diferentes de ácidos nucleicos. Sí comparamos estas cifras con la totalidad de compuestos orgánicos cuya estructura sea conocida por los químicos orgánicos actuales, y que alcanza solamente un millón, o 106, aparece claro que nada más

4. conocemos la estructura precisa de una fracción trivialmente pequeña del conjunto total de moléculas orgánicas que se cree existen en la materia viva. Por todo ello, parecería una empresa sin esperanza que los bioquímicos intentaran aislar, identificar y sintetizar todas las diferentes moléculas orgánicas presentes en la materia viva. Constituye una paradoja, sin embargo, que la inmensa diversidad de moléculas orgánicas de los organismos vivos se pueda reducir, en último término, a una casi absurda simplicidad. Sabemos ahora que las macromoléculas de la célula se hallan formadas por muchas moléculas sencillas, pequeñas unidades estructurales que se hallan ligadas constituyendo largas cadenas. El almidón y la celulosa están constituidos por hebras muy largas de moléculas de glucosa unidas covalente-mente. Los diferentes tipos de proteínas están formados por largas cadenas de aminoácidos, pequeños compuestosorgánicos de estructura conocida, unidos covalentemente. En las proteínas sólo se encuentran 20 tipos dé aminoácidos diferentes, pero están ordenados en muchas secuencias distintas, de modo que forman numerosos tipos de proteínas. Así, las 3000 proteínas o más que existen en la célula de E. coli están integradas tan sólo por 20 pequeñas moléculas diferentes. Análogamente, los 1000 o más ácidos nucleicos de la célula de E. coli, de los que existen dos clases, ácido desoxirribonucleico (DNA) y ácido ribonucleico (RNA), están constituidos a partir de un total de ocho sillares diferentes, los nucleótidos, cuatro de los cuales son los constituyentes del DNA y los restantes del RNA. Además, los 20 aminoácidos distintos, constituyentes de las proteínas, y los ocho nucleótidos diferentes que integran los ácidos nucleicos son idénticos en todas las especies vivientes. Aunque en la actualidad solamente poseemos un conocimiento preciso de la estructura covalente de unas 100 proteínas, las técnicas de la química de las proteínas se han desarrollado lo suficientemente bien para que, por lo menos en principio, se halle dentro de las posibilidades de la bioquímica aclarar la estructura de cualquier proteína de todo tipo de organismo. El reducido número de moléculas sencillas, sillares estructurales con que están construidas todas las macromoléculas, poseen otra sorprendente característica: cada una de ellas desempeña más de una función en las células vivientes, y algunas son tan extremadamente versátiles que realizan buen número de funciones. Los aminoácidos no sólo actúan como sillares de construcción dé lasmoléculas proteicas, sino también como precursores de las hormonas, los alcaloides, las porfirinas, los pigmentos y otras muchas biomoléculas. Diversos mononucleótidos no sólo constituyen las unidades fundamentales de los ácidos nucleicos, sino que actúan también como coenzimas y moléculas transportadoras de energía. Por todo ello, parece probable que las biomoléculas fundamentales de las estructuras complejas fuesen seleccionadas en el curso de la evolución biológica, precisamente por su capacidad de desempeñar diversas funciones. Por lo que sabemos hasta ahora, los organismos vivos no contienen normalmente compuestos sin una función definida, aunque existen algunas biomoléculas las funciones de las cuales aún no se comprenden. Ahora se pueden deducir algunos de los axiomas de la lógica molecular de la vida. Ya que los millares de macromoléculas presentes en las células están construidas con sólo unas pocas moléculas sencillas, que son los sillares de su estructura, puede formularse el primer axioma: En la organización molecular de la célula existe una simplicidad fundamental. Puesto que estas biomoléculas sencillas son idénticas en todas las especies conocidas,

5. podemos deducir que todos los organismos vivos proceden de un antepasado común. Debido a que cada organismo posee su propio conjunto distintivo de ácidos nucleicos y de proteínas surge otro axioma: La identidad de cada una de las especies de organismos está preservada por su posesión de un conjunto distintivo de ácidos nucleicos y de proteínas. Un la versatilidad funcional de esas biomoléculas básicas podemos percibir, además, laexistencia de un principio fundamental de economía molecular. Quizá las células vivas sólo contienen las moléculas más sencillas posibles en el mínimo número de tipos diferentes, nada más las indispensables para dotarlas del atributo de la vida y de la identidad de especie en las condiciones ambientales en que viven. Transformaciones energéticas en las células vivas La complejidad molecular y la ordenación estructural de los organismos vivos, en contraposición al azar que reina en la materia inerte, tienen unas implicaciones profundas para el científico físico. La segunda ley de la termodinámica, rama de la física que trata de la energía y sus transformaciones, establece que los procesos físicos y químicos tienden a aumentar el desorden, o el caos, en el mundo; es decir, su entropía. ¿Por qué, entonces, los organismos vivos pueden crear y mantener su complicada ordenación en un entorno que está relativamente desordenado, y que lo está cada vez más con el transcurso; del tiempo? Los organismos vivos no constituyen excepciones de las leyes de la termodinámica. A su elevado grado de ordenación molecular debe contribuirse de alguna manera, puesto que no puede surgir del desorden espontáneamente. La primera ley de la termodinámica establece que la energía no puede crearse ni destruirse. Por tanto, los organismos vivos no pueden consumir o crear energía; solamente pueden transformar una forma dé/energía en otra. De su entorno absorben una forma de emergía que les es útil en las condiciones especiales de temperatura y presión en que viven, y entonces devuelven al ambiente una cantidad equivalente deenergía, en alguna otra forma menos utilizable. La forma útil de energía que las células tornan se denomina energía libre, y puede definirse simplemente como el tipo de energía capaz de realizar trabajo a temperatura y presión constantes. El tipo de energía menos útil que las células devuelven a su entorno consiste en calor y otras formas que rápidamente se distribuyen al azar en el entorno, de modo que aumenta su desorden o entropía. Podemos establecer ahora un axioma extremadamente importante en la lógica molecular de la vida: los organismos vivos crean y mantienen su ordenación esencial a expensas de su entorno, al que transforman haciéndelo cada vez más desordenado y caótico. El entorno de los organismos vivos resulta para ellos absolutamente esencial, no sólo como fuente de energía libre sino también de materias primas. Utilizando el lenguaje termodinámico, los organismos vivos son sistemas abiertos porque intercambian materia y energía con su entorno y, al hacerlo, lo transforman. La característica de los sistemas abiertos es que no se hallan en equilibrio con su entorno. Aunque puede parecer que los organismos vivos se hallan en equilibrio, ya que no cambian visiblemente al observarlos durante un período dado de tiempo, lo cierto es que se hallan en lo que se denomina estado estacionario, condición que cumple un sistema abierto cuando la velocidad de transferencia de materia y de energía desde el entorno al sistema se halla compensada exactamente por la

6. velocidad de transferencia de materia y energía hacia el exterior del sistema. Constituye, por tanto, una parte de la lógicamolecular de la vida que la célula es un sistema abierto que no está en equilibrio, es una máquina de extraer energía libre del medio, en el cual origina un aumento de entropía. Además, y éste es otro reflejo del principio de máxima economía, las células vivas son muy eficaces en la manipulación de la energía y de la materia. La eficacia con que convierten la energía absorbida en trabajo efectuado es muy superior a la de las máquinas construidas por el hombre. La maquinaria de transformación de energía de las células vivas está construida por entero con moléculas orgánicas relativamente frágiles e inestables, incapaces de resistir temperaturas, elevadas, corrientes eléctricas intensas o concentraciones extremas de ácidos o de bases. La célula viva es, por tanto, esencialmente isotérmica; en un instante determinado todas sus partes tienen prácticamente la misma temperatura. Además, no existen diferencias importantes de presión de una parte a otra de la' célula. Por estas razones las células son incapaces de utilizar el calor como fuente de energía, ya que aquél sólo puede transformarse en trabajo a presión constante si se transfiere desde una zona de temperatura superior a otra de menor temperatura. Las células no se parecen, por tanto, a las máquinas térmicas o eléctricas, que son los tipos de maquinaria con que estamos más familiarizados. Por el contrario, y esto constituye otro axioma importante de la lógica molecular de la vida, la célula rii>a es una máquina química isotérmica. La energía que las células absorben de su entorno se recupera en forma de energía química, la cual se transformadespués para realizar el trabajo químico implícito en la biosíntesis de los componentes celulares, el trabajo osmótico necesario para el transporte de los materiales al interior de la célula, o el trabajo mecánico de la contracción o la locomoción; todas estas transformaciones suceden, esencialmente, a temperatura constante. Entre las máquinas construidas por el hombre existen muy pocas que sean capaces de utilizar la energía química para realizar trabajo a temperatura constante. En la actualidad, la ingeniería tecnológica aún tiene que producir una máquina utilizable que pueda convertir isotérmicamente la energía química en mecánica, tipo de conversión que, por otra parte, nos es familiar a todos en la contracción muscular. Reacciones químicas en las células vivas Las células pueden actuar como máquinas químicas porque poseen enzimas, catalizadores capaces de aumentar mucho la velocidad de reacciones químicas específicas. Los enzimas son moléculas proteicas muy especializadas, elaboradas por las células a partir de aminoácidos sencillos. Cada enzima solamente puede catalizar un tipo específico de reacción química. Se conocen en la actualidad casi 2000 enzimas diferentes. Los enzimas superan notablemente a los catalizadores confeccionados por el hombre en su especificidad reactiva, su eficacia catalítica y su capacidad de actuación en condiciones suaves de temperatura y de concentración de iones hidrógeno. En unos segundos pueden catalizar secuencias de reacciones muy complejas, las cuales requerirían días, semanas o meses de trabajo en el laboratorio químico. Existe, sin embargo, unapropiedad especialmente notable de las reacciones, químicas en las células vivas, que en último término es la que hace posible y eficaz su actuación como máquinas térmicas: las reacciones catalizadas enzimáticamente' tienen lugar con un

7. rendimiento del 100%, y no hay subproductos. En cambio, las reacciones de la química orgánica realizadas en el laboratorio mediante catalizadores producidos por el hombre van, casi siempre, acompañadas por la formación de uno o más subproductos; por ello los rendimientos suelen ser inferiores al 100 'c, y es precisa una purificación intensiva del producto en cada etapa. Debido a que los enzimas pueden acelerar una sola transformación de una molécula determinada, sin inducir ninguna otra de sus posibles reacciones, los organismos vivos pueden llevar a cabo, de modo simultáneo, muchas reacciones individuales diferentes sin perderse en un mar de subproductos inútiles. Este elevado grado de especificidad de los enzimas es consecuencia del funcionamiento de otro axioma fundamental de la lógica molecular de la vida, a saber: La especificidad de las interacciones moleculares en las células es el resultado de la complementaridad estructural de las células interactivas. Las moléculas enzimáticas se .combinan con sus sustratos durante el ciclo catalítico, de tal modo que el centro activo de la molécula del enzima se adaptará al substrato con una complementaridad casi perfecta, como la de una llave y su cerradura. Veremos que sobre el principio de complementaridad estructural descansa la especificidad de muchos de los diferentes tipos de interacciones moleculares en lascélulas. Los centenares de reacciones químicas, catalizadas enzima-ticamente, que tienen lugar en la célula no se realizan de modo independiente unas de otras, sino que, por el contrario, están relacionadas entre sí y constituyen muchas secuencias diferentes de reacciones consecutivas que poseen intermediarios comunes, de modo que el producto de la primera reacción se convierte en el sustrato o reactante de la segunda, y así sucesivamente. Tales secuencias, que pueden poseer de 2 a 20 ó más etapas efe reacción, se hallan ligadas a su vez formando retículos de esquemas convergentes o divergentes. Esta ordenación determina diversas consecuencias biológicas importantes. Una de ellas consiste en que tales sistemas de reacciones consecutivas determinan que las reacciones químicas se canalicen por rutas específicas. La otra es que las reacciones secuenciales hacen posible la transferencia de energía química. La transferencia de energía entre dos reacciones en condiciones de presión y temperatura constantes no puede tener lugar, a menos que ambas reacciones posean un intermediario común. Si dos reacciones independientes, tales como A --- ► B C--- ► D se producen en un mismo recipiente a presión y temperatura constantes, cada una transcurrirá con idéntica disminución de energía libre, independientemente de la presencia de la otra. Por el contrario, en dos reacciones consecutivas tales como A---- ► B B--- ► C cierta cantidad de energía química de A puede transferirse hasta C a través del intermediario común B. Las células vivas pueden dividirse en dos grandes clases según el tipo de energíaque obtienen de su entorno. Las células fotosintéticas utilizan la luz solar como principal fuente de energía; la energía radiante es absorbida por el pigmento clorofila y transformada en energía química. Las células heterotróficas aprovechan la energía de moléculas orgánicas muy reducidas, ricas en energía, como la glucosa y que obtienen" de su entorno. La mayor

8. parte de las células del reino animal son heterotróficas; en ellas la glucosa es oxidada a anhídrido carbónico y agua, proceso en que se conserva algo de la energía libre de la molécula de glucosa, la cual se emplea posteriormente para realizar diversos tipos de trabajo celular. Aunque ambas clases de organismos vivientes obtienen energía de su entorno en formas distintas, las dos la recuperan y la utilizan ampliamente en forma del compuesto llamado trifosfato de adenosina, (ATP). Este actúa como el transportador de energía química más importante en las células de todas las especies vivientes A medida que el ATP transfiere su energía a otras moléculas, pierde su grupo fosfato terminal y se transforma en difosfato de adenosina, (ADP). que es la forma descargada o pobre de energía, es decir, la contrapartida del ATP. Por su parte, el ADP puede, a su vez, aceptar energía química y recuperar un grupo fosfato para transformarse de nuevo en ATP ya sea a expensas de la energía solar (en las células fotosintéticas) o de energía química (en las células heterotróficas). El ATP actúa como un intermediario común o nexo de unión entre dos grandes redes de reacciones catalizadas enzimáticamente en la célula Una de dichas redes conserva la energía"química obtenida del entorno al producir la fosforilación del ADP pobre en energía y transformarlo en ATP de elevado contenido energético. La otra red utiliza la energía del ATP para realizar la biosíntesis de componentes celulares a partir de precursores sencillos con la degradación simultánea del ATP que se transforma en ADP. Podemos establecer ahora otro axioma en la lógica molecular de las células: Las secuencias consecutivamente ligadas de las reacciones catalizadas enzimáticamente proporcionan los me dios para transferir la energía química desde los procesos que la liberan, hasta los que la requieren Autorregulación de las reacciones celulares Del hecho de que todas las reacciones químicas de la célula se hallan catalizadas por enzimas v conectadas por intermediarios comunes se deduce otro resultado importante. Una célula bacteriana sencilla, tal como la de E. coli, sintetiza simultáneamente sus miles de componentes moleculares complejos a partir de sólo tres precursores sencillos, glucosa, amoniaco y agua. Esta célula emplea una clase de lógica química que trasciende los conocimientos actuales de la química sintética en el laboratorio. Si un químico se enfrentase con el problema de sintetizar dos productos tales como un aminoácido y un lípido, no soñaría nunca en sintetizarlos a partir de unos mismos precursores, simultáneamente y en un mismo recipiente de reacción. Iniciaría cada una de las síntesis partiendo de precursores diferentes y utilizaría distintas secuencias reaccionales. Llevaría a cabo arabas síntesis por separado, en recipientes distintos, y, probablemente, en momentosdiferentes. Pero en las células vivas la síntesis de centenares o millares de moléculas muy distintas se realiza de modo simultáneo, literalmente en un mismo recipiente, y partiendo de unos pocos precursores comunes. La conexión de reacciones catalizadas por enzimas, en secuencias de reacciones consecutivas, hace posible canalizar ordenadamente los millares de reacciones químicas que se suceden en las células de modo que todas las biomoléculas específicas necesarias para la estructura y función celulares se produzcan en cantidades y velocidades adecuadas. Una célula bacteriana sintetiza simultáneamente 3000 o más clases de moléculas proteicas en relaciones molares específicas entre si. Cada una de estas moléculas contiene un mínimo de 100 unidades de aminoácidos por cadena; la mayoría contienen muchas más. Y, sin

9. embargo, a 37 "C la célula bacteriana sólo necesita unos pocos segundos para completar la síntesis de cualquier molécula proteica sencilla. En cambio, la síntesis de una proteína por el hombre en el laboratorio, hecho que sólo se ha conseguido por vez primera en 1969 requiere el trabajo de químicos altamente especializados, muchos reactivos caros, centenares de operaciones separadas, un equipo automático complejo y un período de meses para su preparación y ejecución. Las células bacterianas no sólo pueden producir moléculas de proteínas individuales con rapidez, sino que son capaces de construir 3000 o más clases de proteínas simultáneamente, y en la relación molar precisa para constituir una célula viva y que funcione. La conexión en secuencias consecutivas de las reaccionesenzimáticas permite la regulación del metabolismo y le dota de capacidad para auto-ajustarse. En el caso más sencillo, la acumulación de un producto final del metabolismo, tal como un aminoácido, puede inhibir la etapa determinante de la velocidad en la secuencia de reacciones mediante las cuales se formó, tipo de control conocido como inhibición «feed-back». Las células vivas poseen, además, la capacidad de regular la síntesis de sus propios catalizadores. Así, la célula puede «interrumpir» la síntesis de los enzimas necesarios para la producción de un producto determinado a partir de sus precursores cuando tal producto puede obtenerlo, ya fabricado, del entorno. Surge entonces otro principio importante: Las células son capaces de regular sus reacciones metabólicas y la biosíntesis de sus enzimas para obtener el máximo de eficacia y de economía. Autorréplica de los organismos vivos La propiedad más notable de las células vivas es su capacidad de reproducirse con fidelidad casi perfecta, no solamente una o dos veces, lo que ya sería bastante notable, sino por centenares y millares de generaciones. Tres características resaltan inmediatamente. En primer lugar, algunos organismos vivos son tan complejos que la cantidad de información genética que se transmite parece desproporcionada al pequeño tamaño de las células que la deben transportar, concretamente, la célula espermática y el huevo. Sabemos hoy día que virtual-mente toda la información genética se halla presente en los cromosomas, codificada en forma de secuencia específica de los nucleótidos constituyentes de una pequeña cantidad deDNA, la cual, en el esperma humano o en el óvulo, pesa no más que unos 6 picogramos (1 pg = 1 X 10-12 g). La investigación moderna de los aspectos bioquímicos de la genética ha conducido, de este modo, a otro axioma de la lógica molecular del estado vital: Los símbolos en los que se halla codificada la información genética en el DNA son de dimensiones sub-moleculares. La segunda característica notable de la propiedad de autorreplicacíón de los organismos vivos, consiste en la extraordinaria estabilidad de la información genética almacenada en el DNA. Muy pocas de las primitivas inscripciones históricas realizadas por el hombre han sobrevivido tanto tiempo, a pesar de que fueron labradas en piedra o en cobre y preservadas de la acción de los elementos. Los manuscritos del Mar Muerto y la piedra de Rosetta, por ejemplo, tienen sólo unos pocos miles de años. Pero existen buenas razones para creer que las bacterias actuales poseen, aproximadamente, una misma forma, tamaño y estructura interna, y contienen idéntica clase de moléculas estructurales, así como unos mismos tipos de enzimas, que las que vivieron hace cientos de millones de años, a pesar de que las

10. bacterias, como todos los organismos, han experimentado una evolución constante. La información genética no se conserva en planchas de cobre o grabada en piedra, sino en forma de DNA, una molécula orgánica tan frágil que cuando se aísla en disolución se escinde en muchos fragmentos con sólo agitar la disolución o pipeteándola. La capacidad de las células vivas para preservar su información genética es el resultado de la complementaridadestructural. Una hebra de DNA actúa como patrón para la réplica enzimática de otra hebra de DNA estructuralmente complementaria. En realidad, los enzimas de la célula que sintetizan el DNA no pueden confeccionarse sin el concurso de un patrón. Se tiene ahora la certidumbre de que, incluso en la célula intacta, la molécula de DNA puede escindirse con frecuencia, pero es reparada con rapidez y automáticamente por enzimas específicos. No es frecuente que se produzcan errores o mutaciones, pero incluso éstos no siempre son perjudiciales, y pueden resultar ventajosos al permitir a una especie determinada de organismo modificar gradualmente su identidad con objeto de adaptarse mejor a los cambios de su entorno durante el curso de la evolución. Existe aún una tercera característica digna de mención en la transferencia de la información genética en los organismos vivos. Tal información está codificada en forma de una secuencia específica de cuatro mononucleótidos básicos, sillares estructurales de la molécula lineal del DNA. Pero las células vivas poseen una estructura tridimensional y constan de partes o componentes también tridimensionales. Se llega, con ello, a un axioma muy crucial en la lógica molecular de la vida, el que proporciona el nexo de unión entre la sencilla química lineal del DNA y todos los atributos tridimensionales de la gran variedad de organismos multicelulares: La información unidimensional del DNA es transferida a la información tridimensional inherente a los componentes macromoleculares y supramacromoleculars de los organismos, gracias a la traslación de la estructura del DNA ala estructura proteica. La secuencia lineal de bases específica del DNA se transcribe a la correspondiente secuencia lineal de aminoácidos de una cadena polipeptídica durante el proceso de síntesis de las proteínas. Sin embargo, a diferencia de la molécula de DNA una cadena polipeptídica no es estable en forma lineal extendida. Espontáneamente se enrosca y se pliega en una estructura tridimensional estable, específica, cuya precisa geometría está determinada por la secuencia aminoácida en su cadena polipeptídica. Cada tipo de cadena polipeptídica adoptará su propia conformación especifica tridimensional, la cual le confiere, a su vez, un tipo especifico de actividad biológica. Además, las muy diversas clases de moléculas proteicas, que son componentes de bioestructuras tales como las membranas, los ribosomas y los organillos, se agrupan entre sí de manera automática originando conjuntos tridimensionales, reproducibles con precisión porque sólo se adaptan entre ellas de una manera determinada, de acuerdo también con el principio de la complementariedad estructural. Acabamos de describir cierto número de interacciones e interrelaciones características de las biomoléculas que constituyen, en conjunto, la lógica molecular de la vida. Podemos resumir estos principios mediante la siguiente aseveración: Una célula viva es un sistema abierto isotérmico de moléculas orgánicas que se ensambla, ajusta y perpetúa por sí mismo y opera según el principio de máxima economía de partes y procesos; promueve muchas reacciones orgánicas ligadas consecutivamente, destinadas a la transferencia de energía y a lasíntesis de sus propios componentes por medio de catalizadores orgánicos que ella misma

11. produce. En ningún momento de nuestro examen de la lógica molecular de las células vivas hemos encontrado violación alguna de las leyes físicas conocidas, ni hemos necesitado definir ninguna ley nueva. La maquinaria de las células vivas actúa dentro del mismo conjunto de leyes que rigen la actuación de las máquinas construidas por el hombre, pero las reacciones químicas y los procesos de las células se han perfeccionado mucho más de las posibilidades presentes de la ingeniería química. En esta revisión orientadora hemos esbozado el objetivo central y más fundamental de la bioquímica actual, a saber, el determinar detalladamente la lógica molecular de la célula viva. No es éste, sin embargo, el único objetivo de la bioquímica ni tan siquiera el último. La bioquímica de la célula, tema de este libro, no constituye sino el punto de partida para el estudio molecular de otros muchos problemas de la biología. Lo más fundamental es quizá deducir cómo en la oscura historia inicial de la Tierra ciertos compuestos inorgánicos inanimados «se encontraron» primero y «aprendieron» después a establecer interacciones mutuas, organizándose por último y dando lugar a las primeras estructuras «vivas». Otro de los objetivos es llegar a saber cómo las primeras células experimentaron un desarrollo evolutivo que condujo a la notable diversidad de especies animales y vegetales que contemplamos en nuestro entorno en la actualidad. Un objetivo ulterior lo constituye la descripción molecular de las interacciones de las células con lostejidos y de funciones especializadas tales como la contracción muscular. Otro nuevo objetivo es el análisis bioquímico de la neurofunción desde el nivel de la comunicación intermolecular simple hasta la integración, la memoria, el comportamiento y, finalmente, el pensamiento; es decir, todas las profundas preguntas formuladas por la inquietud del hombre para la comprensión de su naturaleza. Conjuntamente con estas cuestiones fundamentales, la bioquímica está desarrollando un más profundo conocimiento de las enfermedades humanas y de su alivio, de la vida vegetal y la agricultura, y del balance ecológico de la biosfera. Al comenzar el estudio de la bioquímica, los principios de organización que constituyen la lógica molecular de las células servirán de marco de referencia. Comienza este libro con una descripción de las diversas clases de biomoléculas (parte 1). Continúa después con el análisis de las reacciones enzimáticas, isotérmicas, autoajustadas y consecutivamente enlazadas, las cuales constituyen el sistema abierto a través del cual fluyen materia y energía, es decir, el proceso del metabolismo. Éste, como hemos podido ver. consiste en dos redes de reacciones: la red productora de energía en forma de ATP será objetivo de estudio en la parte 2. y el otro gran retículo, que examinaremos en la parte 3. emplea el ATP para la síntesis y el cumplimiento de la función celular. Finalmente, en la parte 4 consideraremos la base molecular de la autorréplica de las células y el ensamblaje de los componentes celulares. Termina el libro retornando al origen de la vida y a su lógica molecular.
Archivo sacado de (2012, 08). Introducion A La Biologia. BuenasTareas.com. Recuperado 08, 2012, de http://www.buenastareas.com/ensayos/Introducion-a-La-Biologia/4970862.html