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Marta Ribases | La química de la vida

3 Laquímicadelavida D. Bueno «Nothing in Biology makes sense except in the light of evolution» («En Biología nada tiene sentido si no es a la luz de la evolución») Theodosius Dobzhansky (1900-1975) Genetista de origen ucraniano quien realizó importantes contribuciones en el campo de la teoría sintética de la evolución

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Los objetivos de este capítulo son los siguientes: Conocer el origen químico de las moléculas orgánicas. Entender la estructura atómica de los elementos y su relación con el establecimiento de los diversos tipos de enlaces moleculares en el contexto de las moléculas orgánicas. Analizar la posición central que ocupa el carbono en la construcción de las moléculas orgánicas, y los enlaces que establece con otros elementos. Analizar la importancia química y funcional del agua para los procesos vitales. Conocer la importancia de las sales minerales y los iones para el funcionamiento de los organismos, especialmente en el contexto de la función neuronal. Familiarizarse con las características moleculares y funcionales de los cuatro grandes grupos de biomoléculas. Describir la estructura molecular y las principales funciones de los glúcidos. Conocer la estructura molecular y las principales funciones de los lípidos, especialmente en el contexto de las membranas celulares y la síntesis de neurohormonas esteroideas. Familiarizarse con los distintos niveles estructurales y las principales funciones de las proteínas, con un énfasis especial en las enzimas y las proteínas receptoras y transportadoras. Analizar la estructura molecular y las funciones de los ácidos nucleicos, como biomoléculas especializadas en el almacenaje, la transmisión y la expresión de la información genética.

RESUMEN CONCEPTUAL

La vida, y todos los procesos y mecanismos que el fenómeno vital lleva asociado, se sustentan en la interacción dinámica, regulada en el espacio y el tiempo, de un número limitado de grupos de moléculas orgánicas –glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos–, cada uno de los cuales formado por una miríada de moléculas concretas. Las biomoléculas pertenecientes a cada uno de estos grupos tienen una estructura distintiva, que les confiere sus funciones específicas en el contexto de las células y los seres vivos. Ello incluye, también, las células del sistema nervioso y, por ende, el funcionamiento del cerebro, cuya actividad subyace a los procesos mentales y a la psique humana. En este capítulo se analizará la estructura de estos cuatro grandes grupos de biomoléculas en relación a las funciones que ejercen, con un énfasis especial en las que se relacionan con la morfología y la fisiología neuronal. Para ello será necesario conocer primero su origen químico y, en consecuencia, la estructura atómica que sustenta los enlaces que establecen entre ellas, incluyendo los implicados en las moléculas de agua, puesto que es en ella donde se realizan la inmensa mayoría de las funciones vitales. Al final del capítulo el lector será capaz de entender la importancia biológica de todas estas moléculas y de contextualizarla en el caso concreto de la función neuronal.

Laquímicadelavida

del cual, por evolución, un proceso que implica mecanismos de cambio genético azaroso y preadaptativo y selección natural, se

Se conoce un único lugar en todo el universo donde se haya desarrollado la vida, el planeta Tierra, lo que no implica que no se

han ido formando todas las especies que se conocen (para una explicación más detallada de los mecanismos evolutivos y los

haya podido desarrollar en algunos o muchos otros lugares. To-

análisis filogenéticos, v. capítulo ).

dos los seres vivos conocidos comparten una serie de características comunes, entre las que destacan la manera de organizar la información genética, en el ADN o ácido desoxirribonucleico, y la

LaTierraprebiótica

manera de descodificarlo mediante el código genético, entre muchas otras. Los análisis filogenéticos han demostrado que todas

La cuestión del origen de la vida es compleja, dada la dificultad

las especies actuales, así como las ya extinguidas, provienen de

de conocer cómo era exactamente la Tierra primitiva y su atmós-

un ser vivo primigenio ancestral, un antepasado común a partir

fera. De lo que no cabe ninguna duda es que, antes de la formación de los primeros seres vivos, hubo un período de evolución quí-

© EDITORIAL MÉDICA PANAMERICANA S.A. Todos los derechos reservados. Este libro o cualquiera de sus partes no podrán ser reproducidos ni archivados en sistemas recuperables, ni transmitidos en ninguna forma o por ningún medio, ya sean mecánicos, electrónicos, fotocopiadoras, grabaciones o cualquier otro, sin el permiso previo de Editorial Médica Panamericana S.A.

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mica durante el que se formaron, por síntesis química espontánea, las principales biomoléculas elementales que forman los seres vivos, a saber, glúcidos, lípidos, aminoácidos y nucleótidos.

5. Pueden responder de manera específica a los estímulos externos. 6. Están sometidos a selección natural.

Probablemente también intervinieron materiales llegados del espacio en meteoritos y cometas, los cuales a su vez se habían formado también por síntesis química espontánea en las profundidades del espacio, en zonas muy específicas donde abundan, entre otros elementos, el carbono y el agua, junto con radiaciones de alta energía. Para aproximarse al origen de estas biomoléculas, hay que considerar cómo era la superficie de la Tierra hace cuatro mil millones de años, antes de que se iniciara la vida. Era una costra mineral parcialmente cubierta por océanos salados, los cua-

Todas estas características deben concurrir en el origen de la vida, como concurren actualmente en todos los seres vivos.

Si has comprendido en qué consiste la vida, deberías ser capaz de explicar por qué las células, como las neuronas, son seres vivos, al mismo tiempo que forman parte de un ser vivo estructuralmente y funcionalmente más complejo, como un ser humano.

les contenían miles de compuestos orgánicos en disolución. Había una gran actividad volcánica, la radiación ultravioleta no era filtrada en la atmósfera –una función que actualmente realiza la capa de ozono– y todavía se producían grandes impactos

Elorigendelavida

con asteroides que podían evaporar parcialmente los océanos.

Tras la publicación del Origen de las especies en 1859, obra ca-

Debido a estos violentos fenómenos se iban alternando ciclos

pital de la Biología donde Charles R. Darwin (1809-1882) descri-

geológicos secos y húmedos. El agua se evaporaba constantemente de la interfaz entre el mar y la atmósfera, se condensaba

bió la selección natural como proceso evolutivo y puso las bases de la teoría moderna que explica el hecho de la evolución, mu-

y caía en forma de precipitaciones; formaba charcos con solu-

chos naturalistas adoptaron la idea de que los organismos vivos

tos orgánicos, y se volvía a evaporar. A partir de este caos de

son el resultado histórico de la transformación gradual de la ma-

tierra, mar, atmósfera y energía, de alguna manera se originó

teria inerte.

la vida, hace poco más de 4.000 millones de años.

¿Quéeslavida? La vida es una propiedad emergente de la química, un con-

La evolución, ¿es una teoría, como tal vez alguien podría pensar de la expresión «teoría de la evolución», o es un hecho de la naturaleza?

junto organizado de reacciones químicas integradas y encadenadas, localizadas en un espacio físico concreto, y heredables; o, dicho de otro modo, es un sistema químico que se mantiene a sí mismo y que es capaz de evolucionar. Sin embargo, no es fácil definir el concepto de vida, lo que dificulta establecer en

Si has comprendido qué es una teoría científica podrás discutir por qué el creacionismo y su forma moderna denominada diseño inteligente no son teorías científicas.

qué momento concreto este conjunto de reacciones químicas se convirtió, por derecho propio, en un ser vivo. Por una parte,

Como muchos de sus predecesores, Charles Darwin asumió

se puede decir que la vida está vinculada a tres procesos clave: reproducción, variación y selección natural. Desde el punto de

que las plantas y los animales surgieron de forma natural a partir de materia no viva. En 1837 escribió, en una libreta de notas que

vista metabólico, sin embargo, se puede definir como una aso-

se conoce como Second Notebook, que:

ciación de compuestos químicos complejos autoorganizados

«La íntima relación entre la vida y las leyes de la combinación

con capacidad autoreproductora y catalítica que extrae energía del entorno.

química, y la universalidad de éstas, apunta que la generación espontánea no es un hecho improbable». Más aún, en el Origen de las especies se puede leer:

La vida es una propiedad emergente de la química.

Una de las definiciones más completas hace hincapié en que los organismos vivos:

«Tengo que inferir de forma análoga que probablemente todos los seres orgánicos que han vivido en la Tierra descienden de una forma primordial, a partir de la cual la vida respiró por primera vez». Doce años después de la publicación de la primera edición del Origen de las especies, Darwin dio otra vuelta de tuerca a esta

1. Almacenan y transmiten la información necesaria para funcionar y para hacer organismos iguales o muy semejantes a

idea en una carta dirigida a su amigo Joseph Dalton Hooker (1817-1911):

ellos (la información genética). 2. Están capacitados para permitir y regular las reacciones

producción de un organismo vivo se encuentran presentes en la

«A menudo se dice que todas las condiciones para la primera

químicas gracias a la participación de enzimas. 3. Captan energía del entorno y la transforman en energía propia, que almacenan en moléculas específicas para po-

actualidad, y podrían haber estado presentes siempre. Pero si

derla utilizar cuando les sea menester. 4. Tienen la capacidad de reproducirse haciendo organismos

fosfóricas en presencia de luz, calor y electricidad, donde se

iguales o muy semejantes a ellos mismos.

(Oh!, qué gran si) pudiéramos imaginar un pequeño charco de agua cálida que contuviera todos los tipos de sales amónicas y pudiera formar químicamente un compuesto proteico, listo para experimentar cambios aún más complejos, en la actuali-

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dad esta materia sería instantáneamente devorada o adsorbida,

ras cada vez más complejas, como por ejemplo membranas pro-

pero éste no habría sido el caso antes de que se formaran las criaturas vivas».

tectoras con un interior aislado pero al mismo tiempo comunicado con el exterior; sistemas de replicación del material heredita-

A finales del siglo XIX ya se había demostrado que era posible

rio, de control de su expresión y de síntesis de proteínas a partir

la síntesis química –o abiótica, es decir, sin la participación de

de la información codificada en este material, etc. Desde este

seres vivos–, de lípidos y glúcidos, empleando diversas mezclas

punto de vista cabe pensar en los orígenes de la vida, no porque la

de gases y descargas eléctricas. Y a principios de siglo XX ya se habían sintetizado químicamente los primeros aminoácidos en el

vida que existe en la Tierra provenga de más de un organismo primigenio fundador, sino por el origen químico en paralelo de to-

laboratorio, a partir de formamida húmeda (COH-NH )2 sometida

das las moléculas que confluyeron en el primer organismo al cual

a descargas eléctricas y luz ultravioleta. En noviembre de 1923 el

se pueda aplicar el calificativo de vivo.

joven bioquímico ruso Alexander Ivánovich Oparin (1894-1980) publicó un breve libro titulado El origen de la vida, donde proponía

Así mismo, resulta muy improbable la participación de moléculas extraordinariamente complejas en el origen de la vida, en la

por primera vez de forma explícita que antes de la vida celular

misma forma en que se encuentran actualmente. Es por este mo-

debió haber habido un largo período de síntesis abiótica y de acu-

tivo que se hace necesario también incorporar una visión termodi-

mulación de compuestos orgánicos, a partir de los cuales surgie-

námica –o metabólica– al estudio del origen de la vida. Esta concep-

ron, por agregación, los primeros organismos vivos, en palabras de Oparin «unas bacterias heterotróficas». En 1936 publicó un

ción se basa en cinco principios básicos:

ponía que los primeros hidrocarburos (moléculas formadas úni-

1. Hace falta una región circunscrita dentro de la cual pueda aumentar el orden, a costa disminuirlo (o, lo que es lo mismo, de

camente por átomos de carbono y de hidrógeno) se habían formado en unas condiciones atmosféricas radicalmente diferentes a

aumentar la entropía) a su alrededor, lo que implica la existencia de una barrera que separe lo vivo de lo que no lo es (se

las actuales, en presencia de una atmósfera reductora –sin oxí-

conoce

geno–, a partir de carburos metálicos de origen geológico y vapor

fosfolípidos).

segundo libro, Origen de la vida, mucho más maduro, donde pro-

como

membrana celular,

y

está

formada de

de agua. Estos hidrocarburos habrían podido reaccionar poste-

2. Debe existir una fuente de energía que impulse el proceso de

riormente con oxígeno para formar otras moléculas orgánicas, como alcoholes, cetonas y aldehídos, y con amonio para formar

organización –muchos organismos actuales consumen glúcidos y lípidos y los combinan con oxígeno para obtener energía

aminas, amidas y sales amónicas, unos compuestos básicos para

metabólica, pero también los hay que utilizan otras fuentes

la formación de los aminoácidos que constituyen las proteínas,

energéticas–. 3. Además, la liberación de energía debe estar acoplada al proceso de organización que sustenta la vida, mediante mecanis-

las cuales a su vez se habrían agregado para formar sistemas coloidales a partir de los cuales habrían evolucionado estas supuestas bacterias heterotróficas. La traducción al inglés del segundo libro de Oparin atrajo la atención de numerosos científicos, que iniciaron experimentos para simular la síntesis de compuestos orgánicos en las condicio-

mos metabólicos. 4. También debe existir un entramado de reacciones químicas

nes que se suponía que tenía la Tierra primitiva. De todos estos

que permita la adaptación y la evolución. 5. Es necesario que este entramado pueda crecer y reproducirse. Desde el punto de vista metabólico, se debe pensar en el ori-

experimentos cabe destacar dos: los realizados por los químicos

gen de la vida, aquí en singular. En el primer organismo que

estadounidenses Stanley L. Miller (1930-2007) y Harold C. Urey

se pueda considerar vivo, a pesar de que se establezca bajo

(1893-1981), y los realizados por el bioquímico catalán Joan Oró (1923-2004) y sus colaboradores. Miller y Urey diseñaron un apa-

fundamentos teóricos, tuvieron que concurrir tanto los orígenes moleculares como el origen metabólico de la vida. De to-

rato que reproducía la interacción entre la atmósfera y el océano y

das estas moléculas y procesos, y de su implicación en los fe-

donde se podían producir descargas eléctricas de 60.000 V para

nómenos vitales, tratará este capítulo y en .

simular rayos. Lo llenaron con diversas mezclas de metano, amonio, hidrógeno y agua, que se suponía eran los gases predominantes en la atmósfera de la Tierra primitiva, y el conjunto se mantuvo caliente durante todo el experimento. Después de una semana a una presión de 1,5 bares, casi el 50% del carbono presente en la mezcla había quedado incorporado en compuestos orgánicos que se habían sintetizado químicamente de forma espontánea, entre los que identificaron 13 de los 20 aminoácidos que

Si has comprendido qué significan el origen y los orígenes de la vida, deberás ser capaz de describir los procesos vitales básicos que debe realizar cualquier célula.

Sea como fuere, los elementos comunes a estos y otros muchos

normalmente forman las proteínas. Poco después de este experi-

experimentos son la presencia de fuentes de energía, agua, carbono y algunas otras moléculas. El carbono es un elemento clave

mento, Oró y sus colaboradores demostraron de forma similar que, si a la mezcla también se le añade cianuro amónico, se obtie-

en la evolución del material orgánico prebiótico, y se convierte en biológicamente interesante cuando forma largas cadenas y se

ne adenina, uno de los nucleótidos básicos que forman el ADN.

combina con nitrógeno, oxígeno e hidrógeno, entre otros ele-

Estos experimentos permiten situar los orígenes moleculares de

mentos químicos, como por ejemplo fósforo y azufre, para for-

la vida (sí, «orígenes» en plural).

mar glúcidos, lípidos, aminoácidos y nucleótidos. Antes del surgi-

Inicialmente todas las moléculas necesarias para configurar un organismo vivo, aunque sea tan aparentemente sencillo como

miento de la vida, muy probablemente la materia orgánica presente en la Tierra primitiva consistía en una amplia variedad de

una bacteria, se fueron formando y aumentando de complejidad

estos compuestos. Sin embargo, la forma en que se encajaron

de forma relativamente independiente entre ellas, hasta llegar un

para formar los primeros organismos vivos es todavía un tema

momento en que empezaron a interactuar para formar estructu-

muy debatido. Una de las mejores maneras de abordarlo es anali-

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zando cómo sería el último antepasado común a todos los orga-

Estructuraatómica

nismos actuales, un ser hipotético que se conoce con el nombre de LUCA (del inglés Last Universal Common Ancestor, o «último ancestro común universal»), a partir de cómo se organiza...