MACROMOLECULAS

La química de los organismos vivos es la química de los compuestos que contienen carbono o sea, los compuestos orgánicos. Una característica general de todos los compuestos orgánicos es que liberan energía cuando se oxidan. Entre los tipos principales de moléculas orgánicas importantes en los sistemas vivos están los carbohidratos o hidratos de carbono, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos.

Todas estas moléculas contienen carbono, hidrógeno y oxígeno. Además, las proteínas contienen nitrógeno y azufre, y los ácidos nucleicos, así como algunos lípidos, contienen nitrógeno y fósforo. El carbono es singularmente adecuado para este papel central, por el hecho de que es el átomo más liviano capaz de formar múltiples enlaces covalentes.

Un átomo de carbono puede formar cuatro enlaces covalentes con cuatro átomos diferentes como máximo y así crear una gran variedad de cadenas fuertes y estables y de compuestos con forma de anillo o lineales. Las moléculas orgánicas derivan sus configuraciones tridimensionales primordialmente de sus esqueletos de carbono. Sin embargo, muchas de sus propiedades específicas dependen de grupos funcionales. Estos son grupos de átomos unidos al esqueleto de carbono, reemplazando a uno o más de los hidrógenos que estarían presentes en un hidrocarburo.

1. HIDRATOS DE CARBONO

Los hidratos de carbono son moléculas que contienen cadenas hidrocarbonadas y grupos hidroxilo (OH). Estas macromoléculas tienen dos papeles bioquímicos principales:

  • Son la fuente de energía que puede liberarse en forma utilizable por los tejidos corporales.
  • Son los esqueletos de carbono que pueden reacomodarse y formar nuevas moléculas esenciales para las estructuras y las funciones biológicas.

Hay cuatro categorías de hidratos de carbono de importancia biológica:

Monosacáridos:

Son los azúcares simples. Los monosacáridos son los monómeros a partir de los cuales se construyen los hidratos de carbono de mayor tamaño. Se diferencian por el número de carbonos de la cadena principal en:

  • triosas: monosacáridos de 3C. Ejemplo: el gliceraldehído.
  • tetrosas: monosacáridos de 4C.
  • pentosas: monosacáridos de 5C. Ejemplo: azúcar ribosa y desoxirribosa.
  • hexosas: monosacáridos de 6C. Ejemplo: glucosa, fructosa, manosa y galactosa.

Glucosa. La fuente de energía de los organismos vivos

Las plantas producen monosacáridos mediante la fotosíntesis y los animales los adquieren en forma directa o indirecta a partir de las plantas. Todas las células vivas contienen el monosacárido glucosa, la que emplean como fuente de energía, degradándola mediante una serie de reacciones que liberan la energía almacenada y producen agua y dióxido de carbono. La glucosa existe en dos formas: como cadena lineal y en forma anular. La forma anular predomina en más del 99% de las circunstancias biológicas porque es más estable en condiciones fisiológicas. Hay dos versiones de la forma anular, llamadas: glucosa alfa y glucosa beta, que difieren solo en la orientación del –H y –OH unido al carbono 1. Las formas alfa y beta se interconvierten y existe equilibrio cuando están disueltas en agua.

Disacáridos:

Consisten en dos monosacáridos unidos por enlaces covalentes. Ejemplo: sacarosa.

Oligosacáridos:

Constituidos por 3-20 monosacáridos. Tienen grupos funcionales adicionales que les confieren propiedades especiales. Los oligosacáridos suelen unirse en forma covalente a proteínas y lípidos de la superficie externa de la célula formando glucoproteínas y glucolípidos, respectivamente, donde cumplen funciones como señales de reconocimiento.

Polisacáridos:

Son polímeros compuestos por cientos o miles de monosacáridos. Ejemplo: almidón, glucógeno y celulosa.

Enlaces glucosídicos

Los disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos están construidos por monosacáridos ligados en forma covalente por las reacciones de condensación que forman las uniones glucosídicas. La misma se produce entre el grupo –OH de un azúcar del C1 y un grupo –OH del C4 de otro azúcar.

Enlace glucosídico entre dos moléculas de glucosa para formar el disacárido maltosa.

Cuando las moléculas de glucosa forman una unión glucosídica, el enlace puede ser: alfa o beta, dependiendo de si la molécula que une su carbono 1 es una alfa o una beta glucosa, la otra molécula de glucosa que interviene en el enlace lo hace mediante el carbono 4. Por lo tanto, existen dos tipos de uniones entre glucosas: alfa 1-4 y beta 1-4.

  • Enlace alfa 1-4: Cuando el -OH del C1 que forma el enlace glucosídico está dirigido hacia abajo.
  • Enlace beta 1-4: Cuando el -OH del C1 que forma el enlace glucosídico está dirigido hacia arriba. Este enlace es más estables químicamente.

Algunos polisacáridos almacenan energía en vegetales y animales

La glucosa es el hidrato de carbono principal a través del cual, tanto vegetales como animales, obtienen energía. Pero, si la glucosa se necesita en realidad como combustible, ¿Por qué no se almacena glucosa en las células? La razón es que 1000 moléculas de glucosa ejercerían 1000 veces la presión osmótica de una molécula grande polimerizada con monómeros de glucosa. Si no fuese por los polisacáridos, muchos organismos gastarían una cantidad enorme de tiempo y energía en expulsar el agua del interior de sus células. Los dos polisacáridos que almacenan energía en las células son el almidón y el glucógeno.

Almidón

Comprende una familia de moléculas grandes de una estructura muy semejante. Es un polisacárido de la glucosa con uniones alfa 1-4 de glucosa, que se distinguen por la cantidad de ramificaciones en sus carbonos 1 y 6. Algunos almidones vegetales, como la amilasa, no están ramificados; otros están moderadamente ramificados, como la amilopectina vegetal. Independientemente de su estructura, el almidón tiene la función de almacenamiento de energía en los vegetales. Las moléculas que integran esta familia de hidratos de carbono son hidrofílicas, cuando se elimina el agua de su entorno, el almidón no ramificado tiende a formar puentes de hidrógeno entre las cadenas de los polisacáridos, que entonces se agregan.

Glucógeno

Al igual que el almidón, el glucógeno es un polímero con uniones alfa 1-4 de glucosa altamente ramificado. El glucógeno almacena energía en el hígado y los músculos de los animales.

La celulosa, el polisacárido estructural de los vegetales

La celulosa es el componente predominante de las paredes de las células vegetales y es, por mucho, el compuesto orgánico más abundante de la Tierra. La celulosa es un polímero lineal y es químicamente más estable a raíz de sus uniones beta glucosídicas. Así, la celulosa resulta un excelente material estructural que puede soportar condiciones adversas del ambiente sin modificarse. La ultraestructura de la pared celular será vista en detalle en la unidad de célula.

2. LÍPIDOS

Los lípidos son sustancias orgánicas insolubles en solventes polares como el agua, pero que se disuelven fácilmente en solventes orgánicos no polares, tales como el cloroformo, el éter y el benceno, esto se debe a su composición química: cadenas hidrocarbonadas unidas por enlaces covalentes no polares.

Funciones de los lípidos

Hay diferentes tipos de lípidos que cumplen diversas funciones en los organismos vivos.

  • las grasas y aceites almacenan de energía.
  • los fosfolípidos, glucolípidos y ceras son moléculas estructurales (membranas biológicas).
  • los carotenoides capturan energía lumínica.
  • los esteroides y ácidos grasos modificados desempeñan funciones de regulación.
  • la grasa de los animales actúa como aislante térmico.
  • la cubierta de lípidos alrededor de los nervios proporciona aislamiento eléctrico.
  • el aceite o la cera en la superficie de la piel, de los pelajes y de las plumas repelen el agua. Las ceras en los vegetales forman una película en hojas y frutos que disminuyen la desecación.

Grasas y aceites

Las grasas y aceites desde el punto de vista químico son triglicéridos, la única diferencia es su comportamiento a temperatura ambiente (20 °C), las grasas se mantienen sólidas y los aceites, líquidos. Los triglicéridos están formados por tres moléculas de ácidos grasos y una molécula de glicerol.

Las largas cadenas hidrocarbonadas que componen los ácidos grasos terminan en grupos carboxilo (-COOH) y el glicerol es una molécula pequeña con tres grupos hidroxilo (- OH), es un alcohol. Cuando el grupo carboxilo del ácido graso se une al grupo hidroxilo del glicerol se forma un enlace covalente llamado enlace éster y una molécula de agua.

Los tres ácidos grasos del triglicérido no necesariamente tienen la misma longitud o estructura en la cadena de hidrocarburos:

  • en los ácidos grasos saturados, todos los enlaces entre los átomos de carbono en la cadena hidrocarbonada son enlaces simples, no hay dobles ligaduras. Estas moléculas de ácido grasos son relativamente rígidas y rectas y están empaquetadas en forma estrecha, produciendo sólidos como la manteca o el cebo.
  • en los ácidos grasos insaturados, la cadena hidrocarbonada contiene uno o más enlaces dobles entre los átomos de C contiguos, que generan pliegues en la molécula. Algunos ácidos grasos tienen más de un enlace doble y múltiples pliegues (ácidos grasos poliinsaturados) los que impiden que se empaqueten en forma estrecha.

Los pliegues de los ácidos grasos determinan la fluidez y el punto de fusión de un lípido. Los triglicéridos de las grasas animales tienden a tener muchos ácidos grasos saturados de cadena larga, empaquetados estrechamente; estas grasas son casi siempre sólidas a temperatura ambiente y tienen un elevado punto de fusión. Los triglicéridos de las plantas, tienden a tener ácidos grasos cortos o insaturados. A raíz de sus pliegues estos ácidos grasos rara vez se encuentran estrechamente empaquetados y tienen un bajo punto de fusión y suelen ser líquidos a temperatura ambiente.

Fosfolípidos

Al igual que los triglicéridos, los fosfolípidos contienen ácidos grasos unidos al glicerol por enlace éster. Sin embargo, en este caso el glicerol se une a dos ácidos grasos y a un grupo fosfato. El grupo funcional fosfato tiene carga eléctrica negativa, de modo que esta porción de la molécula es hidrofílica, por lo que atrae moléculas de agua. No obstante, los dos ácidos grasos son hidrofóbicos, de manera que tienden a agregarse alejados del agua.

En ambientes acuosos los fosfolípidos se alinean de forma tal que las “colas” no polares hidrófobas se empaquetan estrechamente y las “cabezas” que contienen a los fosfatos enfrentan el exterior donde interactúan con el agua. Así, los fosfolípidos forman una bicapa: una hoja del grosor de dos moléculas en la cual el agua se encuentra excluida de la parte central. Como se verá más adelante, todas las membranas biológicas tienen este tipo de estructura de bicapa fosfolipídica.

Glucolípidos

Los glucolípidos (“lípidos con azúcar”), están formados por dos ácidos grasos, un glicerol y una cadena de carbohidrato corta unida al tercer carbono del glicerol. Al igual que la cabeza de fosfato de un fosfolípido, la cabeza de carbohidrato de un glucolípido es hidrofílica, y las colas de ácidos grasos son, por supuesto, hidrofóbicas. En solución acuosa, los glucolípidos se comportan del mismo modo que los fosfolípidos. También son componentes importantes de las membranas celulares en las que cumplen funciones de reconocimiento celular, por ello solo se encuentran en la parte externa de las mismas.

No todos los lípidos son triglicéridos

Existe una variedad de clases de lípidos que no están basadas en la estructura glicerolácido graso. Sin embargo, se clasifican como lípidos puesto que están constituidos principalmente por carbono e hidrógeno y son no polares.

Ceras

Las ceras son producidas por diversos organismos y cumplen diferentes funciones. Son producidas, por ejemplo, por las abejas para construir sus panales. También forman cubiertas protectoras, lubricantes e impermeabilizantes sobre la piel, el pelaje y las plumas y sobre los exoesqueletos de algunos animales. En las plantas terrestres se encuentran sobre las hojas y frutos. Las ceras protegen las superficies de la pérdida de agua y aíslan del frío a los tejidos internos. Todas las ceras tienen la misma estructura básica: están formadas por un enlace éster entre un ácido graso de cadena larga saturada y un alcohol de cadena larga saturada.

Colesterol

El colesterol pertenece a un grupo importante de compuestos conocidos como esteroides. Los esteroides son una familia de compuestos orgánicos cuyos múltiples anillos comparten carbonos. La molécula de colesterol está formada por cuatro anillos de carbono y una cadena hidrocarbonada.

El colesterol se encuentra en las membranas celulares (excepto en las células bacterianas); aproximadamente el 25% (en peso seco) de la membrana de un glóbulo rojo es colesterol. Su presencia da rigidez a las membranas y evita su congelamiento a muy bajas temperaturas. También es un componente principal de la vaina de mielina, la membrana lipídica que envuelve a las fibras nerviosas de conducción rápida, acelerando el impulso nervioso y es el material de partida para fabricar testosterona y otras hormonas esteroides, así como las sales biliares que ayudan a degradar la grasa de la dieta. El colesterol es sintetizado en el hígado a partir de ácidos grasos saturados y también se obtiene en la dieta, principalmente en la carne, el queso y las yemas de huevo.

Carotenoides

Los carotenoides son una familia de pigmentos que absorben luz y están presentes en plantas y animales. Son cadenas hidrocarbonadas donde se alternan enlaces simples con dobles. El betacaroteno es uno de los pigmentos que atrapan la energía luminosa en las hojas durante la fotosíntesis. En los seres humanos, una molécula de betacaroteno puede degradarse a dos moléculas de vitamina A a partir de la cual se sintetiza el pigmento rodopsina, que se requiere para la visión. Los carotenoides son los responsables de los colores de las zanahorias, los tomates, las calabazas y la yema de huevo.

3. PROTEÍNAS

Las proteínas tienen como monómero a los aminoácidos. Los aminoácidos tienen una estructura básica idéntica. Cada aminoácido contiene un átomo central de carbono que forma cuatro enlaces con: un grupo amino (-NH2), un grupo carboxilo (-COOH), un átomo de hidrógeno y un grupo lateral R (que es diferente en los distintos aminoácidos). Así, existen 20 aminoácidos diferentes que difieren en sus grupos laterales. Los grupos laterales pueden ser:

  • no polares: sin diferencia de carga entre distintas zonas del grupo. Los aminoácidos con éstos R son hidrofóbicos.
  • polares sin carga: son polares pero con cargas balanceadas de modo tal que el grupo lateral en conjunto es neutro. Los aminoácidos con éstos R son hidrófilos.
  • polares con carga negativa o positiva: ácidos o básicos respectivamente. Los aminoácidos con éstos R son hidrófilos.

A partir de estos relativamente pocos aminoácidos, se puede sintetizar una inmensa variedad de diferentes tipos de proteínas, cada una de las cuales cumple una función altamente específica en los sistemas vivos.

Los aminoácidos se unen entre sí por medio de enlaces peptídicos

Un enlace peptídico es un enlace covalente formado por condensación. Los polipéptidos son polímeros de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos, en los que el grupo amino de un aminoácido se une al grupo carboxilo de su vecino. El enlace peptídico tiene dos características importantes en la estructura tridimensional de las proteínas:

  • En el espacio, el enlace C-N es relativamente rígido y esto limita el plegamiento de la cadena polipeptídica.
  • El oxígeno unido al carbono (C=O) del grupo carboxilo lleva una carga ligeramente negativa, mientras que el hidrógeno unido al nitrógeno (N-H) del grupo amino es ligeramente positivo. Esta asimetría de cargas favorece la formación de puentes de hidrógeno dentro de la molécula proteica y con otras moléculas, y contribuye tanto a la estructura como a la función de muchas proteínas.

Las proteínas (polipéptidos funcionales) presentan cuatro niveles de organización estructural, denominados: primario, secundario, terciario y cuaternario.

Estructura primaria

La secuencia de aminoácidos se conoce como estructura primaria de la proteína y de acuerdo con esa secuencia, la molécula puede adoptar una entre varias formas porque determina de qué manera la proteína puede girar, plegarse y adoptar así una estructura estable específica que la distingue de cualquier otra proteína. La estructura primaria está determinada por enlaces covalentes, los enlaces peptídicos.

Estructura secundaria

La estructura secundaria de una proteína consiste en patrones espaciales repetidos y regulares en diferentes regiones de una cadena polipeptídica. Hay dos tipos básicos de estructuras secundarias, ambas determinadas por puentes de hidrógeno entre los grupos C=O y N-H de diferentes aminoácidos de la misma cadena polipeptídica, la estructura alfa hélice y la estructura de hoja beta plegada.

Estructura alfa hélice

En la estructura alfa hélice la cadena polipeptídica se enrolla alrededor de un cilindro imaginario debido a la formación de puentes de hidrógeno entre los átomos de oxígeno del grupo carbonilo (C=O) de un aminoácido y el átomo de hidrógeno del grupo amino de otro aminoácido situado a cuatro aminoácidos de distancia en la cadena polipeptídica. Cuando se reitera este patrón de puentes de hidrógeno en un segmento de la cadena, la espiral se estabiliza. La presencia de aminoácidos con grandes grupos R que distorsionan la espiral o impiden la formación de puentes de hidrógeno necesarios, evitará que se forme una alfa hélice.

Estructura hoja beta plegada

En la estructura de hoja beta plegada el esqueleto peptídico se encuentra extendido en “zig-zag” en lugar de ser una hélice porque las cadenas laterales de los aminoácidos se sitúan de forma alternante a la derecha y a la izquierda del esqueleto de la cadena polipeptídica. La estructura se estabiliza también mediante enlaces por puentes de hidrógeno entre los grupos C=O y N-H de planos peptídicos pertenecientes a diferentes segmentos de la cadena polipeptídica. Una hoja beta plegada puede formarse entre cadenas polipeptídicas diferentes o entre distintas regiones de una misma cadena polipeptídica que se repliega sobre sí misma. Muchas proteínas contienen regiones tanto de alfa hélice como de hoja plegada en la misma cadena polipeptídica.

Estructura terciaria

La estructura terciaria se refiere a la configuración tridimensional de la cadena polipeptídica. Es consecuencia, de la formación de nuevos plegamientos en las estructuras alfa hélice y beta plegada. Las interacciones entre las cadenas laterales de los aminoácidos son las que determinan la estructura terciaria. Estas son: las fuerzas de Van der Waals, enlaces iónicos, puentes de hidrógeno y puentes disulfuro. Según la estructura adoptada, se generan proteínas fibrosas o globulares.

Proteínas fibrosas

Las proteínas con estructura fibrosa se forman a partir de las cadenas polipeptídicas con estructura secundaria alfa hélice. Las moléculas largas entran en interacción con otras largas cadenas de polipéptidos, similares o idénticas, para formar cables o láminas. El colágeno y la queratina son proteínas fibrosas que desempeñan diversos papeles estructurales.

Proteínas globulares

Las proteínas globulares se pueden formar a partir de cadenas polipeptídicas alfa hélice o beta plegada. En éstas proteínas la cadena polipeptídica se pliega en una forma compacta parecida a un balón de superficie irregular. Los microtúbulos, que son componentes celulares importantes, están compuestos por unidades repetidas de proteínas globulares, asociadas helicoidalmente en un tubo hueco. Otras proteínas globulares tienen funciones de regulación, de transporte y de protección.

Estructura cuaternaria

Cuando la proteína consta de varias cadenas polipeptídicas o subunidades, se dice que tiene estructura cuaternaria. Las interacciones hidrófobas, las fuerzas de Van der Waals, los puentes de hidrógeno y los enlaces iónicos contribuyen a mantener las subunidades juntas.

Un ejemplo es la hemoglobina, la molécula transportadora de oxígeno de la sangre, compuesta de cuatro cadenas polipeptídicas (dos pares de cadenas), cada una unida a un grupo que contiene hierro (hemo). La sustitución de un determinado aminoácido por otro en uno de los pares de cadenas altera la superficie de la molécula, produciendo una enfermedad grave, en ocasiones fatal, conocida como anemia falciforme. Puede concluirse que las estructuras, secundaria, terciaria y cuaternaria, dependen de la estructura primaria.

Especificidad de las proteínas

La especificidad biológica de la función de una proteína depende de dos propiedades generales: su forma y las características químicas de sus grupos superficiales expuestos

  • forma: cuando una molécula pequeña colisiona con una proteína mucho más grande se une a ella solo si hay una “adecuación” general entre sus dos formas tridimensionales.
  • química: los grupos funcionales de la superficie de una proteína promueven interacciones químicas con otras sustancias. Estos grupos son las cadenas laterales de los aminoácidos expuestos y, por lo tanto, son una propiedad de la estructura primaria de la proteína.

Funciones de las proteínas

  • Función plástica: las proteínas forman el esqueleto celular y participan en la construcción de órganos y tejidos.
  • Función catalizadora: las enzimas, cuya función es la de intervenir en diferentes reacciones químicas.
  • Función transportadora: Son capaces de unirse y transportar diferentes moléculas, a través de la sangre, otros líquidos corporales y las membranas biológicas.
  • Función defensiva: proteínas que viajan en el torrente circulatorio, los anticuerpos, que son producidos por los linfocitos y se encargan de combatir los agentes extraños que penetran en nuestro organismo.
  • Función contráctil: las proteínas contráctiles (actina y miosina), facilitan el movimiento de las células constituyendo miofibrillas que son responsables de la contracción de los músculos.
  • Función energética: si en la sangre existen niveles bajos de glucosa y ácidos grasos, se degradarán las proteínas para obtener energía, a razón de 4 Kcal/g.
  • Función organoléptica: algunos aminoácidos libres presentes en los alimentos contribuyen al aroma y sabor de los mismos.

4. ÁCIDOS NUCLEICOS

Los ácidos nucleicos son polímeros especializados en el almacenamiento, el uso y la transmisión de la información genética. Hay dos tipos de ácidos nucleicos:

  • ácido desoxirribonucleico: ADN
  • ácido ribonucleico: ARN El ADN es una macromolécula que codifica la información hereditaria y le transmite de una generación a la otra. A través de un intermediario de ARN, la información almacenada en el ADN especifica las secuencias de aminoácidos de las proteínas. La información fluye del ADN al ARN y de éste a la proteína que será sintetizada y que finalmente desempeñan las funciones vitales.

Los nucleótidos

Los nucleótidos son los monómeros de los ácidos nucleicos. Un nucleótido está formado por tres subunidades: un grupo fosfato, una pentosa (azúcar de cinco carbonos) y una base nitrogenada.

El azúcar presente en el ácido nucleico puede ser: azúcar desoxirribosa (ADN) o azúcar ribosa (ARN). En la ribosa, el carbono 2 lleva un átomo de hidrógeno por encima del plano del anillo y un grupo hidroxilo por debajo del plano; en la desoxirribosa, el grupo hidroxilo del carbono 2 está reemplazado por un átomo de hidrógeno.

Las bases nitrogenadas pueden presentar dos formas químicas: una estructura anular simple, llamada pirimidina o una estructura de anillos fusionados, llamada purina. Entre las bases nitrogenadas pirimidínicas se encuentran: citosina, timina y uracilo. Entre las bases nitrogenadas purínicas están la adenina y la guanina.

Enlace fosfodiéster

Las uniones fosfodiéster permiten la unión de los nucleótidos. Se producen entre el azúcar de un nucleótido y el fosfato del siguiente. En estas uniones el carbono 3’ de la pentosa de un nucleótido se une con el carbono 5’ de la pentosa del nucleótido adyacente a través del grupo fosfato de este último. En consecuencia, el eje del ácido nucleico está constituido por las pentosas y los fosfatos, y las bases nitrogenadas surgen de las pentosas. El extremo de la molécula que contiene la pentosa con el C5’ libre se llama extremo 5’, y el que posee la pentosa con el C3’ libre, extremo 3’.

ADN y ARN

El ADN presenta una doble hélice y cada una está constituida por nucleótidos con:

  • azúcar: desoxirribosa.
  • bases nitrogenadas: adenina, timina, citosina y guanina.
  • grupo fosfato.

La molécula de ADN está formada por dos cadenas de ácidos nucleicos helicoidales con giro a la derecha, que componen una doble hélice en torno de un mismo eje central. Las dos cadenas son antiparalelas, lo cual significa que sus uniones 3’-5’- fosfodiéster siguen sentidos contrarios. Las bases están situadas en el lado interior de la doble hélice. Cada vuelta completa de la doble hélice comprende 10,5 pares de nucleótidos.

Ambas cadenas se hallan unidas entre sí mediante puentes de hidrógeno establecidos entre los pares de bases. Puesto que entre las pentosas de las cadenas opuestas existe una distancia fija, pueden establecerse dentro de la estructura solamente ciertos pares de bases. Los únicos pares posibles son: A-T, T-A, C-G y G-C. Entre A y T se forman dos puentes de hidrógeno, y entre las C y G, tres, en consecuencia, el par C-G es más estable. La doble estructura helicoidal se mantiene estabilizada gracias a los puentes de hidrógeno y a las interacciones hidrofóbicas existentes entre las bases de cada cadena.

Si bien en las distintas moléculas de ADN las secuencias de las bases a lo largo de las cadenas varían considerablemente, en una misma molécula de ADN las secuencias de las dos cadenas son complementarias. Debido a esta propiedad, al separarse las cadenas durante la duplicación del ADN, cada cadena individual sirve como molde para la síntesis de una nueva cadena complementaria. De este modo se generan dos moléculas hijas de ADN con la misma constitución molecular que poseía la progenitora.

El ARN presenta una hebra simple y está constituida por nucleótidos con:

  • azúcar: ribosa.
  • bases nitrogenadas: adenina, uracilo, citosina y guanina.
  • grupo fosfato.

Existen tres clases de ARN: ARN mensajero (ARNm), ARN ribosómico (ARNr) y ARN de transferencia (ARNt). Los tres intervienen en la síntesis proteica. Aun cuando cada molécula de ARN tiene una sola cadena de nucleótidos, eso no significa que se encuentre siempre como una estructura lineal simple. En las moléculas de ARN suelen existir tramos con bases complementarias, lo que da lugar a puentes de hidrógeno entre varias regiones otorgándoles formas variables a las cadenas de ARN.

El dogma central de la biología molecular

Cuando la célula necesita una determinada proteína, la secuencia de aminoácidos de la proteína (estructura primaria) está determinada por una secuencia de nucleótidos de un fragmento del ADN (gen). Esta secuencia de nucleótidos del ADN debe pasar su información a una molécula de ARN (copia de la información). Después, estas copias de ARN que llevan la información de segmentos cortos del ADN contenidas en el núcleo, se trasladan al citosol para dirigir la síntesis proteica. En consecuencia, la información genética de las células fluye del ADN al ARN, y de éste a la proteína. Todas las células, de las bacterias a los seres humanos, expresan su información genética de este modo, un principio tan fundamental que ha sido denominado “el dogma central de la biología molecular”.

Replicación del ADN

La replicación del ADN es un proceso que ocurre sólo una vez en cada generación celular. Por lo tanto, las dos células “hijas” provenientes de la división celular contienen una copia idéntica del ADN de la célula madre que le dio origen. Watson y Crick propusieron un mecanismo de replicación semiconservativa en base al modelo estructural del ADN planteado, según el cual la doble hélice del ADN se abre por el medio gracias a la acción de la ADN polimerasa y las bases apareadas se separan a nivel de los puentes de hidrógeno. El inicio de la replicación, tanto en procariotas como en eucariotas, se produce en una secuencia específica de nucleótidos denominada origen de replicación.

A medida que se separan, las dos cadenas actúan como moldes o guías, cada una dirigiendo la síntesis de una nueva cadena complementaria a lo largo de toda su extensión. La complementariedad de las bases sólo permite dos tipos de apareamientos TA y G-C; las bases se van agregando una a una y la selección de cuál base entra en un sitio específico de la cadena en formación, queda determinada por la base presente en la cadena molde con la que se va a aparear. Los desoxirribonucleótidos se van uniendo por enlaces fosfodiéster. De esta manera, cada cadena molde forma una copia de su cadena complementaria original y se producen dos réplicas exactas de la molécula. Este modelo brindó una respuesta de cómo la información hereditaria se duplica y pasa de generación en generación.

Este mecanismo se denomina replicación semiconservativa porque la doble hélice progenitora se replica dando lugar a dos dobles hélices hijas, cada una de las cuales está formada por una cadena progenitora (cadena vieja) y una cadena “hija” (sintetizada de novo).

Transcripción

La transcripción es la síntesis de ARN a partir de un molde de ADN. Mediante este proceso se forman los tres tipos de ARN: mensajero, ribosómico y de transferencia. El ARN ribosómico se produce en el nucléolo y los otros dos, en el nucleoplasma. La enzima que lleva a cabo el proceso es la ARN polimerasa.

En cada evento de transcripción, se transcribe solo una de las dos cadenas del ADN. Una vez unida la ARN polimerasa, abre y desenrolla la doble hélice de manera que queden expuestos algunos desoxirribonucleótidos . La enzima va añadiendo ribonucleótidos, moviéndose a lo largo de la hebra de ADN que se utiliza como patrón, desenrollando la hélice y exponiendo así nuevas regiones para transcribir, hasta que se encuentra con otras secuencias específicas del ADN, llamadas terminadoras, que señalan la detención de la síntesis de ARN.

Los ribonucleótidos se van uniendo por enlaces fosfodiéster. Cuando se ha copiado toda la hebra al final del proceso, las instrucciones genéticas copiadas o transcriptas al ARN están listas para salir al citoplasma. La cadena de ARN queda libre y el ADN se cierra de nuevo por apareamiento de sus cadenas complementarias. Esta etapa, se denomina terminación de la transcripción. Es importante señalar que el ARN, tiene una secuencia complementaria a la cadena molde de ADN, que es igual a la otra cadena del ADN, salvo el remplazo de timina (T) por uracilo (U).

Traducción

La traducción implica pasar la información contenida en el “idioma” de los ácidos nucleicos al “idioma” de las proteínas. La traducción es la síntesis de proteínas a partir de la información contenida en el ARN. Este proceso complejo involucra a los tres tipos de ARN.

El ARNm es el que lleva el mensaje a ser leído para determinar la secuencia de aminoácidos que llevará la proteína (obreros de una fábrica). El ARNr es el que constituye, junto a algunas proteínas, los ribosomas y es el sitio físico en el cual se irá sintetizando el polipéptido (edificio de la fábrica). El ARNt es el encargado de “traer” los aminoácidos (materia prima de la fábrica) libres en el citosol hasta el lugar de síntesis, los ribosomas. En el ribosoma (formado por el ARNr y proteínas), el ARNm se traduce en una proteína, para lo cual se requiere también la intervención del ARNt. El trabajo del ARNt consiste en tomar a los aminoácidos del citosol y conducirlos al ribosoma en el orden marcado por los nucleótidos del ARNm, que son los moldes del sistema. El ARNm pasa desde el núcleo al citosol a través de los poros de la membrana nuclear. Una vez en el citosol la molécula de ARNm se dirige y se asocia entre medio de las dos subunidades del ribosoma (ARNr y proteínas). Luego de estos procesos debe ocurrir la síntesis de la proteína en base a la información contenida en el ARNm.

Existen 4 bases en el ARN: C, G, U y A y existen 20 aminoácidos. Entonces, ¿cómo hace la célula para poder traducir desde un idioma con menor cantidad de letras a uno con mayor cantidad? Esto se logra a través del código genético, compuesto por combinaciones de tres nucleótidos consecutivos en el ARNm (tripletes). Los distintos tripletes se relacionan específicamente con los 20 tipos de aminoácidos usados en la síntesis de proteínas. A este grupo de tres nucleótidos se los denomina codón.

Los 31 tipos diferentes de ARNt actúan como intermediarios entre los codones del ARNm y los aminoácidos. Cada ARNt tiene un dominio que se liga específicamente a uno de los 20 aminoácidos y otro que lo hace, específicamente también, con el codón apropiado. Este último dominio consta de una combinación de tres nucleótidos, el anticodón, complementario al codón. La función principal de los ARNt es la de alinear a los aminoácidos siguiendo el orden marcado por los codones del ARNm. Esta alineación y aproximación de los aminoácidos hace que se vayan formando las uniones peptídicas entre ellos, para ir conformando el polipéptido que finalmente se convertirá en una proteína funcional.

El proceso termina cuando en el ARNm aparece el codón de terminación. Este codón no es reconocido por ningún tipo de ARNt e indica al ribosoma que termine la traducción. La cadena polipeptídica es terminada y liberada. El ribosoma libera al ARNm y se disocia y la cadena polipeptídica (futura proteína) puede tener distintos destinos: núcleo, citosol o los orgánulos.

Otros nucleótidos de importancia biológica

El ATP

La combinación de una base nitrogenada con una pentosa constituye un nucleósido. Por ejemplo la adenosina es un nucleósido (adenina + ribosa). Si a esta adenosina se le agrega un grupo fosfato forma la adenosina monofosfato (AMP), si se agregan dos grupos fosfato forma la adenosina difosfato (ADP) y si se le agregan tres grupos fosfato forma la adenosina trifosfato (ATP) que son ejemplos de nucleótidos.

Los nucleótidos, además de su papel en la formación de los ácidos nucleicos, tienen una función independiente y vital para la vida celular: por ejemplo el ATP es utilizado para depositar y transferir energía química. Las dos uniones fosfato terminales de la molécula de ATP contienen gran cantidad de energía. Cuando estas uniones son hidrolizadas, su energía contenida puede ser utilizada para otras funciones de la célula. La unión fosfato de alta energía permite que la célula acumule gran cantidad de ella en un espacio reducido y que la mantenga lista para usarla en el momento que sea necesaria. Alrededor de unas 7 Kcalorías de energía se liberan por cada mol de ATP hidrolizado. La reacción puede ocurrir en sentido contrario si se aportan las 7 Kcalorías por mol necesarias.

La energía contenida en los glúcidos de reserva como el almidón y el glucógeno, y en los lípidos, viene a ser como el dinero depositado a plazo fijo; no es asequible fácilmente. La energía de la glucosa es como el dinero en una cuenta corriente, accesible, pero no tanto como para realizar todas las operaciones cotidianas. La energía en los nucleótidos modificados, en cambio, es como el dinero de bolsillo, disponible en cantidades convenientes y es aceptado en forma generalizada.

Transportadores de electrones

Estas moléculas participan en reacciones de óxido-reducción y suelen ser parte de reacciones acopladas en las células. Estos transportadores activados están especializados en transportar electrones y átomos de hidrógeno de alta energía que se desprenden de otras reacciones.

Los más importantes de éstos transportadores son: NAD+: nicotinamida adenina dinucleótido y el NADP+: nicotinamida adenina dinucleótido fosfato, éstas son sus formas oxidadas, es decir, sin energía. Cuando ambos recogen “paquetes de energía” en forma de dos electrones de alta energía más un protón (H+), se transforman en NADH (nicotinamida adenina dinucleótido reducido) y NADPH (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato reducido), respectivamente. Estos liberan su energía en aquellas reacciones que la necesitan, actúan como agentes reductores.

También existen otras moléculas transportadoras activadas, el FAD+: flavina adenina dinucleótido, ésta es su forma oxidada, sin energía, cuando se carga de electrones y protones se obtiene la forma reducida: FADH2. Es un importante transportador en la respiración celular.

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *