jueves, 29 de octubre de 2009

Compuestos orgánicos

Utilizamos el término "compuestos orgánicos" para referirnos a un grupo de sustancias exclusivas de los seres vivos, ya que son producidas por ellos durante su metabolismo.

Desde el punto de vista químico, todos los compuestos orgánicos están formados por carbono. Este hecho no se debe al azar; es muy difícil pensar en un elemento químico que ofrezca una versatilidad química parecida a la del carbono: es un átomo pequeño y abundante en la naturaleza, que forma enlaces químicos covalentes muy fuertes, lo que proporciona estabilidad a las moléculas en las que aparece, y que puede combinarse con una gran variedad de elementos (aunque en los seres vivos lo hace mayoritariamente con el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno).

Además, cada átomo de carbono forma siempre cuatro enlaces, bien con átomos distintos, bien formando enlaces múltiples (dobles o triples) con un mismo átomo. Esta circunstancia es importante por varios motivos:
  • La posibilidad de establecer enlaces con otros átomos de carbono permite la formación de cadenas lineales, ramificadas o incluso cíclicas que tienen como "esqueleto" estructuras estables, difíciles de romper, basadas en tales enlaces.
  • Los enlaces carbono-hidrógeno son fuertes, de carácter apolar y relativamente poco reactivos. Esto hace que las moléculas basadas en ellos tengan una considerable estabilidad.
  • Los enlaces sencillos permiten que los átomos que los forman roten uno respecto al otro, mientras que los enlaces múltiples son rígidos. Esta combinación de plasticidad y rigidez permite que las moléculas orgánicas adquieran diferentes "conformaciones" (formas tridimensionales) que pueden cambiar, lo que hace que estas moléculas tengan un comportamiento dinámico.
  • La unión de los átomos de carbono a grupos de átomos con características químicas propias (lo que en química se conoce como grupos funcionales) proporciona a las sustancias orgánicas características diferentes, al tiempo que las hace reactivas, permitiendo su participación en diferentes procesos químicos. De este modo, un mismo "esqueleto carbonado" puede tener diferente comportamiento químico en función del grupo funcional al que esté unido. Esto facilita a los seres vivos contar con una gran diversidad de compuestos, con propiedades diferentes, a partir de unas cuantas moléculas.
En resumen, el carbono y sus compuestos proporcionan a los seres vivos una enorme versatilidad estructural (porque pueden formar un número prácticamente infinito de estructuras tridimensionales diferentes) y funcional (porque esos compuestos pueden tener propiedades químicas distintas), lo que hace posible ese conjunto complejo de procesos químicos en equilibrio que constituye el funcionamiento de los seres vivos.

La variedad química de los seres vivos es enorme, inasequible. Por esa razón, los compuestos orgánicos que los constituyen se agrupan en unas cuantas familias de compuestos, que tienen en común sus estructuras básicas, sus propiedades químicas o ambas cosas. Dentro de estas familias de compuestos, una estrategia utilizada repetidamente por los seres vivos es la polimerización, es decir, la formación de grandes compuestos (polímeros) mediante la unión de un elevado número de unidades fundamentales (monómeros) más o menos variables. De este modo, nos encontramos con que, con pocas excepciones, podemos incluir casi todas las sustancias orgánicas en alguno de los siguientes grupos: glúcidos, formados por uno o varios monosacáridos, proteínas, formadas por la unión de aminoácidos, ácidos nucleicos, que son polímeros de nucleótidos, y lípidos. Estos últimos son el grupo más heterogéneos, si bien siempre tienen en común su naturaleza hidrófoba o anfipática (una parte de la molécula es hidrófoba y la otra hidrófila).

Grupos funcionales

Los grupos funcionales son grupos de átomos unidos entre sí, con características químicas bien definidas, que proporcionan tales características a los compuestos en los que se encuentran. La química orgánica estudia un número considerable de estos grupos, pero desde el punto de vista de la bioquímica hay unos pocos que son suficientes para explicar el comportamiento químico de la inmensa mayoría de los compuestos biológicos. Los grupos funcionales de mayor interés son los que se recogen a continuación:

  • El grupo carboxilo es un grupo ionizable que confiere a los compuestos que lo llevan un comportamiento de ácido débil, lo que los hace considerablemente reactivos: con bases para formar sales, con aminas para formar amidas (como en las proteínas) o con alcoholes para formar ésteres.
  • El grupo hidroxilo es característico de los alcoholes. Es un grupo polar, por lo que las moléculas que lo presentan son considerablemente hidrófilas y pueden formar puentes de hidrógeno con otros grupos polares. Pueden oxidarse, formando grupos carbonilo (aldehídos o cetonas), formar ésteres por reacción con ácidos o deshidratarse.
  • El grupo carbonilo (u oxo) está formado por un átomo de oxígeno unido a un carbono mediante un doble enlace. Si se encuentra en un extremo de la molécula se denomina aldehído (nombre que procede de alcohol deshidrogenado), mientras que si está en un carbono intermedio recibe el nombre de cetona. Los grupos carbonilo pueden sufrir oxidaciones, dando lugar a ácidos, o reducciones, dando lugar a alcoholes.
  • El grupo amino es un grupo ionizable, de carácter básico. Esto permite a los compuestos que portan este grupo reaccionar con los ácidos carboxílicos, dando lugar a amidas. Incluso cuando no reacciona, se trata de un grupo muy polar, que forma puentes de hidrógeno con otros grupos polares.
  • El grupo éster es el resultado de la reacción química entre un ácido y un alcohol. Como estos compuestos son muy abundantes en la célula, la formación de un enlace éster es uno de los mecanismos más frecuentes que utiliza la célula para unir dos moléculas entre sí.
Reacciones químicas en los seres vivos

A pesar de la gran complejidad del comportamiento químico de los organismos, lo cierto es que la mayoría de los procesos químicos que ocurren en ellos responden a unos pocos tipos de reacciones:

Reacciones de oxidación-reducción:

Consisten en la transferencia de electrones entre dos moléculas: un reductor, que cede los electrones (y que se oxida), y un oxidante, que recibe los electrones y se reduce. En general, este tipo de reacciones pueden ocurrir en los dos sentidos, de modo que oxidante y reductor pueden intercambiar sus papeles según las condiciones.

En los seres vivos, la transferencia de electrones va acompañada, en la inmensa mayoría de los casos, del paso de dos protones en el mismo sentido, por lo que resulta fácil identificar cuál es la sustancia más reducida (la que tiene más hidrógenos) y cuál la más oxidada. Prácticamente siempre, para que ocurran este tipo de reacciones tiene que intervenir un intermediario, que aporta los protones o que los recoge. En general, el par de moléculas que cumple ese papel es el constituido por el NADH2, que cede los protones y por el NADH+, que los recibe. En el proceso, una sustancia se transforma en la otra.

Los compuestos biológicos que pueden sufrir estos procesos son los alcoholes, los aldehídos y cetonas y los ácidos, según se recoge en la imagen siguiente:

Reacciones ácido-base

El otro gran tipo de reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos son las que ocurren entre un ácido y una base, para dar lugar a algún tipo de sal. Entre los compuestos biológicos, los que se comportan como ácidos son, evidentemente, los ácidos carboxílicos, que pueden reaccionar con otros dos tipos de compuestos:

- Con las aminas, dando lugar al enlace peptídico, que es el que mantiene unidos a los aminoácidos dentro de las proteínas.

- Con los alcoholes, para dar lugar a ésteres, que son el modo en que la mayor parte de las moléculas biológicas de pequeño tamaño se unen entre sí.


Las reacciones ácido-base son reversibles, es decir, las sales pueden descomponerse para dar lugar a un ácido y una base. Como en estas reacciones se añade al enlace una molécula de agua, reciben el nombre de hidrólisis.

Otro tipo de reacciones químicas que también tienen importancia en los seres vivos es la que sucede entre dos grupos alcohol, y que da lugar a los enlaces glucosídicos, que unen entre sí los diferentes monosacáridos que forman un polisacárido.


En muchas ocasiones, estas reacciones no ocurrirían espontáneamente, por lo que los organismos las acoplan a otras lo suficientemente exotérmicas como para que la liberación de energía de éstas últimas permita superar la barrera energética de las reacciones que la célula necesita llevar a cabo. Dicho de otro modo, la célula utiliza ciertas moléculas como si fueran monedas que le permiten desarrollar los procesos químicos que necesitan. Las más importantes de estas monedas energéticas son las siguientes:
  • El ATP (Adenosina trifosfato) es un nucleótido unido a una cadena de tres grupos fosfato entre los que existen enlaces éster. Estos enlaces tienen un contenido de energía tan alto que la rotura de uno de ellos es suficiente para que se produzca casi cualquier otra reacción química endotérmica, de las que la célula necesita.


  • El NADH2 (Nicotín amida dinucleótido) es también un nucleótido que actúa como intermediario en la mayoría de las reacciones redox. En casi todos los casos, cuando un compuesto biológico cede un par de electrones éstos, junto a un par de protones, van a parar a una molécula de NAD+, que al recibirlos se transforma en NADH2. A la recíproca, el NADH2 es el compuesto que proporciona los electrones necesarios para casi todas las reducciones que ocurren en la célula. Cediendo el par de electrones y los dos protones que les acompañan en la transferencia se transforma en NAD+.

Monómeros y polímeros

La necesidad de contar con una gran diversidad de compuestos distintos ha llevado a los organismos a tratar de obtener la máxima variabilidad química a partir de un número "manejable" de compuestos. Para ello, son frecuentes dos estrategias:

  • La modificación química de una sustancia, a la que se le añaden grupos funcionales: acetilación (unión de un grupo acetilo), fosforilación (unión de un grupo fosfato)...
  • La formación de compuestos grandes por unión de moléculas sencillas, es decir, la formación de polímeros.
La polimerización permite que los organismos aprovechen las posibilidades químicas de los diferentes tipos de moléculas que utilizan. La polimerización de los monosacáridos da lugar, por ejemplo, a oligosacáridos, que pueden tener una gran diversidad de estructuras tridimensionales, lo que le permite a la célula utilizarlos como sistemas de identificación, o a polisacáridos, que pueden ser utilizados como moléculas estructurales (celulosa) o de reserva (almidón, glucógeno). La polimerización de los aminoácidos da lugar a proteínas, cuya variabilidad estructural les permite realizar prácticamente todas las funciones metabólicas de la célula. La polimerización de los nucleótidos, por último, da lugar a la formación de los ácidos nucleicos, las moléculas que almacenan la información genética dentro de las células.

Sustancias inorgánicas: iones y sales minerales

Las sustancias inorgánicas que forman parte de los seres vivos son, en general, compuestos de naturaleza iónica, que pueden ser solubles o insolubles. Los iones que, con mayor frecuencia, forman parte de estas sustancias son los siguientes:

Aniones

Cationes

Cloruros (Cl-)

Sodio (Na+)

Fosfatos (PO4-3)

Potasio (K+)

Carbonatos (CO3-2)

Calcio (Ca+2)

Bicarbonatos (HCO3-)

Magnesio (Mg+2)


También aparecen otros iones como nitratos (NO3-), sulfatos (SO4-2) y, con menor frecuencia, silicatos (SiO3-2).

Las sales insolubles suelen desempeñar funciones estructurales en los organismos, como el carbonato cálcico, que forma los huesos o los caparazones de moluscos, el fosfato cálcico, que también aparece en los huesos, o los silicatos, que son los constituyentes de los caparazones de las diatomeas. En otros casos pueden actuar como reserva de iones, almacenados en depósitos intra o extracelulares (por ejemplo de oxalato cálcico, aunque los huesos también desempeñan esta función en los vertebrados).

Los compuestos inorgánicos solubles se encuentran en los organismos en forma de iones. Una prueba de la importancia que tienen estos compuestos es que su concentración celular y sanguínea se mantiene siempre aproximadamente constante, y que cambios significativos de la misma dan lugar a desequilibrios graves en los organismos.

Las funciones más importantes de los compuestos inorgánicos solubles son:
  • Regulación ácido-base: mantienen aproximadamente constante el pH del medio celular, actuando como sistemas tamponadores.
  • Controlan los fenómenos osmóticos, es decir, los que tienen relación con la diferente concentración de compuestos. Entre estos fenómenos se incluyen los procesos de transporte a través de las membranas biológicas, lo que significa que una alteración de la concentración iónica intra o extracelular puede impedir el intercambio de sustancias por parte de la célula.
  • Proporcionan estabilidad a los sistemas coloidales en el interior de la célula, lo que es particularmente importante para la solubilidad de algunas moléculas de gran tamaño, como algunas proteínas que son solubles en disoluciones salinas, pero no en agua pura.
  • Ciertos iones tienen funciones metabólicas específicas, como el hierro (imprescindible para el transporte de oxígeno) o el magnesio (que participa en la fotosíntesis).
Los sistemas tamponadores son disoluciones formadas por dos sustancias conjugadas: una sal y el ácido o la base débiles correspondientes. Estos sistemas tienen como propiedad característica que pueden mantener constante el pH del medio en el que se encuentran, aunque se añadan a él cantidades significativas de ácidos o bases fuertes. En los seres vivos, la estructura de las macromoléculas (de la que depende su función) y la posibilidad de que se produzcan las reacciones químicas necesarias para su mantenimiento dependen, entre otros factores, del pH del medio, de modo que su constancia es fundamental para que los organismos puedan funcionar con normalidad. Los principales tampones que funcionan en los organismos son el formado por el carbonato y el bicarbonato, por el fosfato y el bifosfato y por una pareja de compuestos orgánicos, el ácido acético y el acetato.

martes, 6 de octubre de 2009

Las moléculas en los seres vivos

Si exceptuamos los iones, los átomos no se encuentran aislados en la materia viva, sino formando parte de moléculas. Así pues, realmente, las moléculas son las piezas básicas que constituyen los organismos.

Las moléculas que componen los seres vivos tienen en ellos papeles muy diferentes, desde ser constituyentes meramente "estructurales" (son los "ladrillos" de los que están hechos las células) hasta realizar las funciones más características (y más complejas) de los seres vivos: la nutrición, la relación y la reproducción celular son explicables en términos de interacción entre moléculas.

El conocimiento que necesitamos tener sobre las moléculas biológicas incluye su composición (de qué átomos están hechas) y su estructura (la disposición de estos átomos en el espacio). Esto es particularmente importante, porque en los seres vivos los procesos en los que intervienen las moléculas necesitan que estas encajen literalmente entre sí, de forma que la estructura de cada molécula está estrechamente relacionada con la función que realiza en los organismos. Dicho de otro modo, cada molécula que forma parte de un organismo desempeña una función en él, y esta función es posible gracias a la estructura que posee esa molécula.

Algunas de las sustancias que forman parte de los organismos están presentes también en la materia inerte, por lo que se les denomina "compuestos inorgánicos", distinguiéndolas así de aquellas otras sustancias que son exclusivas de la materia viva, que reciben el nombre de "compuestos orgánicos"

Compuestos inorgánicos en los seres vivos

Los compuestos inorgánicos que se encuentran presentes en los organismos son, básicamente, el agua y los compuestos iónicos que habitualmente llamamos sales minerales.

El agua es la sustancia más abundante en los seres vivos, hasta el punto de que constituye siempre más de la mitad de su peso, aproximadamente los dos tercios en la mayor parte de los organismos. A pesar de su aparente sencillez, el agua es un compuesto muy peculiar, con unas propiedades muy poco frecuentes derivadas de su estructura. Este carácter tan especial la hace particularmente idónea para su utilización por parte de los seres vivos.

La molécula de agua, como es bien sabido, está formada por un átomo de oxígeno unido a dos átomos de hidrógeno. Debido a la estructura del átomo de oxígeno, los átomos de hidrógeno se sitúan en dos vértices de un tetraedro, quedando los otros dos vértices ocupados por dos pares electrónicos y con el oxígeno en el centro. Esto hace que el agua tenga una estructura angular (los dos enlaces forman entre sí un ángulo de 104,5º) y no lineal, como podría esperarse en un principio.

Por otra parte, el oxígeno es un elemento mucho más electronegativo que el hidrógeno, lo que significa que tiene más tendencia que éste a retener los electrones que forman el enlace. Esto supone que el enlace oxígeno-hidrógeno sea polar (lo que, simplificando mucho, significa que es intermedio entre un enlace covalente y un enlace iónico). Así que el agua tiene tanto propiedades de compuesto covalente, pero también se comporta (casi) como una sustancia iónica: por una parte, puede disociarse, es decir, en una pequeña proporción de las moléculas, el átomo de hidrógeno cede completamente su electrón al oxígeno, y la molécula se parte, formando dos iones. La proporción es realmente muy pequeña, solo una molécula de cada 1014, pero suficientemente importante para influir en muchos procesos químicos. Por otra parte, la distribución de los electrones hace que una zona de la molécula, los dos vértices del tetraedro ocupados por pares electrónicos, posean una carga negativa que no llega a ser la de un electrón, pero que se aproxima bastante (aproximadamente -0,8), mientras que la zona de la molécula donde se encuentran los átomos de hidrógeno está cargada positivamente con una carga similar. Así que el agua, una molécula neutra, se comporta como si en realidad estuviera cargada: las partes de la molécula cargadas postivamente tienden a atraer a las que están cargadas negativamente, de forma que las diferentes moléculas de agua que se encuentran en un mismo volumen tienden a formar enlaces entre ellas (enlaces intermoleculares por puente de hidrógeno) que, aunque sean menos intensas que las fuerzas que se establecen entre iones, afectan significativamente a las propiedades de esta sustancia.

Por establecer una comparación que nos ayude a entenderlo: el agua debería tener propiedades muy parecidas a las del ácido sulfhídrico; sin embargo, mientras que éste es un gas a temperatura ambiente, el agua se mantiene líquida en un rango mucho mayor de temperatura, debido a que las fuerzas entre sus moléculas las mantienen próximas entre sí aunque su energía cinética (que es lo que, en último término, mide la temperatura) sea elevada.

Los seres vivos hemos evolucionado en un ambiente acuoso, lo que significa que la vida se ha tenido que adaptar a las características peculiares de esta molécula. Sin embargo, sus particularidades la hacen tan especial que resulta difícil pensar que otros tipos de vida puedan evolucionar en medios carentes de agua. Se ha especulado acerca de la posibilidad de que evolucionen sistemas vivos en ambientes basados en metano líquido, como el que existe en algunos planetas gigantes o en algunas de sus lunas, pero hoy por hoy no deja de ser una elucubración: hasta donde sabemos, ningún ambiente sin agua sería capaz de permitir un entorno químico tan complejo y versátil como el nuestro, y éste parece ser un requisito imprescindible para el desarrollo de la vida.

El agua tiene muchas propiedades anómalas (en el sentido de que son diferentes a lo que cabría esperar si no existieran enlaces por puentes de hidrógeno entre sus moléculas), y todas ellas tienen importantes repercusiones para los seres vivos. Algunas de las más interesantes son las siguientes:

  • Posee una alta cohesión entre sus moléculas, lo que hace que sus puntos de fusión y de ebullición sean muy altos. Esta característica mantiene líquida al agua en el intervalo de temperaturas que se da en nuestro planeta, haciendo posible la vida en él.
  • Posee una gran capacidad calorífica y una gran conductividad térmica. Gracias a esto, los seres vivos pueden utilizarla como regulador térmico, reduciendo la variación de temperatura en su interior a pesar de que cambie la temperatura externa. También esta propiedad hace que el agua actúe como regulador térmico en los ecosistemas: las zonas costeras tienen menor amplitud térmica que las de interior, y los océanos distribuyen calor por medio de las corrientes oceánicas.
  • Su calor latente de vaporización es muy elevado, lo que hace que los organismos sean muy resistentes a la deshidratación, además de facilitar la pérdida de calor por evaporación, mediante la sudoración.
  • Polaridad elevada y tamaño pequeño, propiedades que combinadas la hacen un excelente disolvente de sustancias iónicas o polares.
  • Gran capacidad de hidratación, es decir, de rodear a otras moléculas aoroximándose mucho a sus átomos. Las grandes moléculas biológicas están hidratadas en la célula, lo que determina su estructura espacial y permite que desarrollen su función. Por otra parte, la hidratación o deshidratación de otras moléculas en el interior de la célula hace que algunas regiones del citoplasma puedan pasar de fase "sol" (de consistencia y viscosidad parecidas a las del jabón líquido) a fase "gel" (de propiedades parecidas a la gelatina) y viceversa, de forma que se facilitan o dificultan los movimientos en su interior.
  • Es una sustancia ionizable, lo que significa que una cierta proporción de moléculas de agua se descomponen en iones (OH- y H+, que se hidrata para formar H3O+), permitiendo que se produzcan una gran variedad de interacciones entre iones.
  • Tensión superficial (resistencia a que su superficie se rompa), cohesión (fuerza de atracción entre sus moléculas) y adhesión (tendencia a unirse a otras superficies) elevadas. En conjunto estas propiedades son responsables de ciertas características importantes del medio acuoso: permiten la flotabilidad o el ascenso de la savia...
  • Variación anómala de la densidad: en general, la densidad de cualquier líquido aumenta a medida que disminuye la temperatura, alcanzando su valor máximo justo antes de su punto de fusión. En el caso del agua la máxima densidad se alcanza a 4ºC, lejos del punto de fusión. Esto hace que el hielo flote sobre el agua fría, impidiendo el enfriamiento de la masa de agua subyacente (lo que a su vez permite la vida bajo el hielo) y haciendo más fácil que el hielo se derrita. También permite la mezcla de aguas de diferentes temperaturas, facilitando el intercambio de nutrientes entre ellas.
Gracias a estas propiedades (y a otras muchas, que hacen del agua una sustancia muy peculiar), el agua desempeña una gran variedad de funciones en los seres vivos. Entre las más importantes se pueden citar las siguientes:
  • Es un disolvente excelente de todas las sustancias iónicas y polares que componen los seres vivos, mientras que las sustancias apolares (hidrófobas) forman en ella dispersiones coloidales.
  • Reactivo: la gran versatilidad química del agua hace que pueda actuar, según los casos, como ácido o como base, como oxidante o como reductor. Dado que la mayoría de las reacciones químicas que ocurren en los seres vivos son de estos dos tipos (ácido-base, oxidación-reducción), el agua puede participar en todas ellas, facilitándolas.
  • Función estructural: gracias a su cohesión y a su tensión superficial, el agua proporciona una considerable resistencia mecánica a los cuerpos que rellena. Gracias a esto, mantiene la forma y el volumen de las estructuras biológicas. Su carácter fluido a temperatura ambiente, además, hace posible que estas características puedan cambiar.
  • Función mecánica y amortiguadora: actúa como lubricante, facilitando el movimiento de los órganos ricos en ella.
  • Termorreguladora: su elevada "inercia térmica), es decir, la dificultad para cambiar su temperatura o su estado físico, impide los cambios bruscos de temperatura en el interior de los organismos, al tiempo que facilita su refrigeración mediante su evaporación. También permite que el calor se distribuya de unos puntos a otros del organismo. Estas propiedades son la base de la homeotermia, es decir, de la capacidad de ciertos organismos para mantener constante su temperatura frente a variaciones en el medio.
  • Función transportadora: el agua permite la difusión y el intercambio de gases, la circulación de sustancias disueltas y la excreción de compuestos tóxicos.