Composicion molecularde los Organismos
Toda la materia, incluso aquella de los organismos más
En la Tierra, existen 92 elementos naturales. Muchos son muy conocidos, como el carbono, que se encuentra en forma pura en el diamante y en el grafito; el oxígeno, abundante en el aire que respiramos; el calcio, que utilizan muchos organismos para construir conchas, cáscaras de huevo, huesos y dientes, y el hierro, que es el metal responsable del color rojo de nuestra sangre.
En la tabla periódica de los elementos el número de ellos llega hasta 111 y en algunas hasta 118, debido a que se han agregado aquellos elementos que se producen de manera artifiical.
La partícula más pequeña de un elemento es el átomo. Los átomos, a su vez, están constituidos por partículas más pequeñas: protones, neutrones y electrones.
En la actualidad, los físicos explican la estructura del átomo por medio del modelo orbital. Los átomos son las piezas fundamentales de toda la materia viva y no viva. Aun así, son muy pequeños y constituyen un espacio eminentemente vacío. Los electrones se mueven alrededor del núcleo a una gran velocidad —una fracción de la velocidad de la luz— siendo la distancia entre el electrón y el núcleo, en promedio, unas mil veces el diámetro del núcleo.
Las reacciones químicas involucran el intercambio de electrones entre los átomos y pueden representarse con ecuaciones químicas. Tres tipos generales de reacciones químicas son:
a. la combinación de dos o más sustancias para formar una sustancia diferente,
b. la disociación de una sustancia en dos o más, y
c. el intercambio de átomos entre dos o más sustancias.
Las sustancias formadas por átomos de dos o más elementos diferentes, en proporciones definidas y constantes, se conocen como compuestos químicos.
Los seres vivos están constituidos por los mismos componentes químicos y físicos que las cosas sin vida, y obedecen a las mismas leyes físicas y químicas.
Seis elementos (C, H, N, O, P y S) constituyen el 99 por ciento de toda la materia viva, sin ser los elementos más abundantes en el planeta. Los átomos de estos elementos son pequeños y forman enlaces covalentes estables y fuertes. Con excepción del hidrógeno, todos pueden formar enlaces covalentes con dos o más átomos, dando lugar a las moléculas complejas que caracterizan a los sistemas vivos.
El uno por ciento restante de lo que constituye la materia viva se reparte en los llamados elementos traza, que se encuentran en pequeñísimas cantidades.
Representación esquemática de la composición elemental del cuerpo humano (porcentaje del peso corporal).
Enlaces y moléculas
Cuando los átomos entran en interacción mutua, de modo que se completan sus niveles energéticos exteriores, se forman partículas nuevas más grandes. Estas partículas constituidas por dos o más átomos se conocen como moléculas y las fuerzas que las mantienen unidas se conocen como enlaces.
Hay dos tipos principales de enlaces: iónico y covalente.
Los enlaces iónicos se forman por la atracción mutua de partículas de carga eléctrica opuesta; esas partículas, formadas cuando un electrón salta de un átomo a otro, se conocen como iones. Para muchos átomos, la manera más simple de completar el nivel energético exterior consiste en ganar o bien perder uno o dos electrones. Este es el caso de la interacción del sodio con el cloro que forma cloruro de sodio a través de un enlace iónico. Estos enlaces pueden ser bastante fuertes pero muchas sustancias iónicas se separan fácilmente en agua, produciendo iones libres.
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Los enlaces covalentes formados por un átomo de carbono pueden hacerse con cuatro átomos diferentes (los más frecuentes son hidrógeno, oxígeno y nitrógeno) o con otros átomos de carbono.
Elementos biológicamente importantes
Los elementos son, por definición, sustancias que no pueden ser desintegradas en otras sustancias por medios químicos ordinarios. Como ya dijimos, de todos los elementos naturales de la Tierra, sólo seis constituyen aproximadamente el 99 por ciento de todos los tejidos vivos. Estos seis elementos son el carbono, el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo y el azufre, a los cuales se los conoce con la sigla CHNOPS.
¿Por qué, cuando la vida se organizó y evolucionó, fueron estos elementos tan importantes?
Una de las razones más convincentes es que estos elementos, por la estructura de su última capa de electrones, tienden a compartirlos entre ellos, es decir establecen enlaces unos con otros. Además, son elementos relativamente pequeños, de modo que los electrones compartidos quedan bastante cerca de los núcleos y esto los hace formar compuestos o moléculas muy estables. Aunque no se puede ignorar que dado su reducido tamaño, es más probable encontrarles en la superficie del planeta, lugar donde se origina la vida.
Más aun, con excepción del hidrógeno, los átomos de todos estos elementos pueden formar enlaces con dos o más átomos, haciendo posible la constitución de las moléculas grandes y complejas esenciales para las estructuras y funciones de los sistemas vivos.
Niveles de organización biológica
Uno de los principios fundamentales de la biología es que los seres vivos obedecen a las leyes de la física y la química. Los organismos están constituidos por los mismos componentes químicos —átomos y moléculas— que las cosas inanimadas.
Esto no significa, sin embargo, que los organismos sean "solamente" los átomos y moléculas de los cuales están compuestos; hay diferencias reconocibles entre los sistemas vivos y los no vivos.
En cualquier organismo, como la bacteria Escherichia coli, los átomos que lo constituyen se combinan entre sí de forma muy específica. Gran parte del hidrógeno y del oxígeno está presente en forma de agua, lo cual da cuenta de la mayor parte del peso de la E. coli.
Además del agua, cada bacteria contiene aproximadamente 5.000 clases de macromoléculas diferentes. Algunas de ellas desempeñan funciones estructurales, otras regulan la función celular y casi 1.000 están relacionadas con la información genética. Algunas de las macromoléculas actúan recíprocamente con el agua para formar una película delicada y flexible, una membrana, que encierra a todos los otros átomos y moléculas que componen la E. coli. Así encerrados, constituyen, notablemente, una célula, una entidad viva.
La E. coli es uno de los organismos microscópicos más conocidos. Su residencia preferida es el tracto intestinal del ser humano, donde vive en íntima asociación con las células que forman el tapiz de ese tracto. Estas células humanas se asemejan a la E. coli en muchos aspectos importantes: contienen aproximadamente la misma proporción de las mismas seis clases de átomos y, como en la E. coli, estos átomos están organizados en macromoléculas.
Sin embargo, las células humanas también son muy distintas de la E. coli. Por un lado, son de tamaño mucho mayor; por otro, mucho más complejas. Lo más importante es que no son entidades independientes como las células de E. coli, pues cada una forma parte de un organismo pluricelular. En éstos, las células individuales están especializadas en cumplir funciones particulares, que ayudan a la función del organismo en conjunto.
Las E. coli y otras células con las que interactúan ilustran lo que conocemos como niveles de organización biológica.
En efecto, en los seres vivos la materia se ordena en los llamados niveles de organización biológica. En cada nivel, la interacción entre sus componentes determina las propiedades de ese nivel. Así, desde el primer nivel de organización con el cual los biólogos habitualmente se relacionan, el nivel subatómico, hasta el nivel de la biosfera, se producen interacciones permanentes.
Durante un largo espacio de tiempo estas interacciones dieron lugar al cambio evolutivo. En una escala de tiempo más corta, estas interacciones determinan la organización de la materia viva.
A medida que la vida fue evolucionando, aparecieron formas de organización más complejas. Sin embargo, los niveles más simples de organización persistieron en especies que también fueron evolucionando, muchas de las cuales sobrevivieron hasta la actualidad.
La formas de vida con niveles de organización tisular, de órganos y de sistemas aparecen en el registro fósil en el mismo período geológico. En el diagrama anterior no se representan los numerosos tipos de organismos que se extinguieron a lo largo de la historia de la vida.
Clasificación de las moléculas que se encuentran en los sistemas vivos.
En el cuerpo encontramos diferentes clases de moléculas. Entre ella, los minerales constituyen la clase de sustancias inorgánicas que en su mayoría existen en forma de iones, tales como Na+, K+, Mg2+, Ca2+, y Cl-. Las funciones de estos minerales en el cuerpo comprenden desde la formación de la sustancia cristalina de los huesos, hasta la generación de corrientes eléctricas en los nervios y células musculares; la mayoría de estas funciones depende del hecho de ser estos iones partículas relativamente pequeñas y de una gran carga eléctrica.
Composición molecular del cuerpo
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Constituyente |
% del peso hidratado |
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Agua |
60 |
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Proteínas |
17 |
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Lípidos |
15 |
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Minerales (Na, K, Cl, Ca, Mg, etc.) |
5 |
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Intermediarios y ácidos nucleicos |
2 |
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Carbohidratos |
1 |
El agua y los elementos minerales constituyen los componentes inorgánicos del cuerpo; las otras categorías, proteínas, lípidos, carbohidratos, productos intermedios, y ácidos nucleicos, constituyen las moléculas orgánicas.
De manera muy breve analizaremos aquí cada una de estas categorías moleculares.
Proteínas
El término proteína se deriva del griego proteios, que quiere decir de primer orden o de primera categoría, y el cual describe en forma muy precisa la importancia de estos compuestos.
Las proteínas constituyen el diecisiete por ciento del peso corporal, y aproximadamente el cincuenta por ciento de las materias orgánicas corporales. No existe otra clase de moléculas que posea tantas funciones importantes en los organismos vivos.
Las proteínas participan tanto en las funciones estáticas como en las dinámicas de un organismo. Son las unidades estructurales básicas de la arquitectura celular que dan a las células y organelos su forma y aspecto. Las moléculas proteicas son como cordeles que unen el organismo y le imparten unidad estructural.
El tejido conjuntivo del organismo, que forma una matriz estructural en todos los tejidos, y comprende estructuras especializadas tales como la piel, el pelo, los ligamentos que conforman las articulaciones entre los huesos, y los tendones que unen los músculos a los huesos, está compuesto primordialmente de moléculas proteicas.
El papel estructural estático de las proteínas constituye solamente una de sus funciones en el cuerpo. Las proteínas catalizan la mayoría de las reacciones químicas del organismo, las cuales comprenden tanto los procesos de síntesis como los de degradación de las moléculas orgánicas.
La capacidad del organismo para regular sus procesos químicos y derivar de éstos energía depende de la naturaleza de las moléculas proteicas que facilitan estas reacciones.
La capacidad contráctil del músculo depende de la presencia de proteínas contráctiles específicas dentro de estas células. Muchos de los mensajeros químicos del organismo, hormonas tales como la insulina, son de naturaleza proteica. Muchas enfermedades resultan de la presencia de proteínas extrañas que penetran en el organismo como componentes de las bacterias o de los virus, los cuales a su vez son combatidos por proteínas específicas que conocemos como anticuerpos. El color rojo de la sangre es producido por una proteína, la hemoglobina, que posee la función de llevar oxígeno de los pulmones a los tejidos. Esta enumeración parcial da apenas una idea de la enorme variedad de funciones que tienen a su cargo las proteínas.
Lípidos
Del griego lipos que significa grasa, un lípido se define como una molécula relativamente insoluble en el agua, pero soluble en solventes orgánicos tales como la acetona, el cloroformo, el éter o el benceno.
Los miembros de esta categoría química poseen propiedades físicas comunes, más bien que estructuras moleculares similares. Las grasas pertenecen a esta clase, y los términos grasa y lípido se intercambian a menudo ya que la mayoría de los lípidos del cuerpo son grasas.
En rigor, sin embargo, las grasas constituyen sólo una de las varias subclases de moléculas que conforman los lípidos.
Los lípidos están compuestos ampliamente de hidrógeno y carbono. Los lípidos más simples son los hidrocarburos.
Los aceites y la gasolina son mezclas de hidrocarburos; las cadenas largas de hidrocarburos conforman los aceites más viscosos, y las cadenas cortas se encuentran en la gasolina que es más volátil. (La vida vegetal prehistórica que ha permanecido enterrada por millones de años, es la fuente de aceite crudo, del cual se refinan los productos derivados del petróleo. Estos hidrocarburos se derivan de toda clase de moléculas biológicas orgánicas, pero sólo unos cuantos hidrocarburos más sencillos se encuentran en los organismos vivos.)
Los lípidos que se encuentran en el organismo pueden dividirse en tres subclases, en función de sus estructuras químicas: las grasas neutras, los fosfolípidos y los esteroides. Las tres subclases poseen la propiedad común de que sus moléculas son relativamente insolubles porque no se disuelven en el agua pero sí en solventes orgánicos. Tomados en conjunto, los lípidos constituyen el quince por ciento del peso corporal total, y aproximadamente el cuarenta por ciento de la materia orgánica del cuerpo.
Carbohidratos
Aunque sólo constituyen el uno por ciento del peso corporal total, los carbohidratos desempeñan un papel central en los procesos químicos del cuerpo. Es la degradación química de las moléculas de los carbohidratos en bióxido de carbono y agua la que suministra la energía química que utilizan las células.
Aunque los carbohidratos no constituyen la única fuente de energía, ellos permanecen como la fuente más inmediatamente disponible de energía química, y muchas células los utilizan prefiriéndolos a otros tipos de moléculas. Algunos tejidos, como los del cerebro, cuentan con los carbohidratos como única fuente de energía.
El término carbohidrato se deriva de la fórmula general para la mayoría de estas moléculas, Cn (H2O)n, donde n es cualquier número entero. Como lo indica la fórmula, para cada átomo de carbono de la molécula existe el equivalente de una molécula de agua. Por consiguiente, los carbohidratos son cadenas de carbono hidratadas (que contienen agua).
Los carbohidratos más simples son los azúcares, y el azúcar más importante del cuerpo es la glucosa, llamada comúnmente azúcar sanguíneo. La mayoría de los azúcares del cuerpo posee cinco o seis átomos de carbono.
Mediante el enlace de cierto número de azúcares, pueden formarse moléculas mayores de carbohidratos, en la misma forma en que se unen los aminoácidos para formar proteínas. El azúcar de cocina, sucrosa o sacarosa, está compuesto de dos azúcares, glucosa y fructosa, unidos mediante un enlace químico que se forma al quitarles a estos dos azúcares una molécula de agua. Una molécula que contiene dos azúcares lleva el nombre de disacárido (del griego saccaron, azúcar). Cuando están enlazados muchos azúcares, la molécula formada se denomina polisacárido.
Los polisacáridos más importantes en los organismos vivos son el almidón, el glicógeno, y la celulosa, los cuales se componen de millares de unidades repetidas del monosacárido glucosa.
Intermediarios
Dentro de una célula, las moléculas de carbohidrato, lípido y proteína están sujetas continuamente a reacciones químicas que degradan estas estructuras en unidades moleculares más pequeñas, de las cuales se forman simultáneamente nuevas moléculas. Estas reacciones químicas que se efectúan en el interior de la célula se denominan, en forma colectiva, metabolismo (del griego, cambio).
En el metabolismo celular (no confundir con el metabolismo basal) se sintetizan moléculas especiales que realizan funciones específicas en el interior de las células mientras otras moléculas se degradan a fin de liberar la energía potencial almacenada en sus enlaces químicos.
Los carbohidratos, lípidos y proteínas se encuentran igualmente en uno u otro extremo de la cadena de las reacciones químicas. Los intermediarios representan los muchos tipos de moléculas que se forman durante la síntesis y degradación de las moléculas del cuerpo.
Como intermediarias entre las materias primas y los productos terminados del cuerpo, tales moléculas no tienen a menudo, en la célula, función distinta de la de servir de enlace en la cadena de reacciones químicas que conduce al producto final. Los intermediarios no poseen propiedades químicas o físicas en común, ya que comprenden todas las estructuras moleculares intermedias derivadas de los carbohidratos, lípidos y proteínas.
Ácidos nucleicos
Aunque, dentro de su clase, los ácidos nucleicos contribuyen muy poco al peso del organismo, constituyen, sin embargo, las moléculas mayores y más especializadas del cuerpo. Son los ácidos nucleicos los que determinan si un individuo ha de ser hombre o ratón, o si una célula ha de ser muscular o hepática. Estas son las moléculas que contienen la información genética que suministra los planos para la construcción de un organismo.
Los ácidos nucleicos son de dos tipos: ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN). La molécula del ADN posee la información genética primaria codificada dentro de su estructura molecular; las moléculas del ARN funcionan principalmente en la trascripción de la información contenida en la molécula del ADN en una forma que pueda ser utilizada por la célula para construir estructuras específicas que desempeñen funciones igualmente especificas.
complejos, está constituida por combinaciones de elementos.