PARTE 1

FUNCIONES BASICAS DE LA CELULA

1

Composición química del organismo

Atomos y moléculas

Atomos / Moléculas / lones y moléculas polares / Estados de la materia / Agua

Estructura y propiedades de las moléculas orgánicas

Química del carbono/Clasificación de las moléculas que se encuentran en los sistemas vivos / Proteiacutenas / Liacutepidos / Carbohidratos / Intermediarios / Acidos nucleicos

Atomos y moléculas

El cuerpo humano, lo mismo que toda la materia, consta de átomos y moléculas, y su funcionamiento depende en todo momento de los millones de interacciones que ocurren entre los diferentes átomos y moléculas que lo componen. La variedad amplia de estructuras y funciones de un organismo es reflejo de las propiedades de las moléculas que se encuentran en los diversos tejidos, y de sus interacciones químicas y físicas. Para poder considerar las propiedades de las células, tejidos, órganos, y sistemas orgánicos, debemos adquirir ciertos conocimientos de los tipos de átomos y moléculas que componen la sustancia del cuerpo, y que forman los cimientos en que se basan otros niveles de estructuras y funciones corporales. Los biólogos están comenzando a relacionar el dominio infinitesimal del átomo con algunas de las propiedades más complejas de los sistemas vivos, tales como la enfermedad, la herencia, y la memoria. Empezaremos por una breve descripción de aquellas propiedades básicas de los átomos y moléculas que son más propias de los tipos de reacciones recíprocas que ocurren en los sistemas vivos.

Atomos

 

TABLA 1-1

Unidades inglesas y métricas

La unidad angstrom pertenece al sistema métrico de medidas que utilizan los científicos de todo el mundo para infor­mar acerca de las magnitudes de sus observaciones en los fenómenos naturales. Este sistema fue introducido en Francia en 1790 y se difundió en Europa mediante las conquistas napoleónicas. El sistema métrico de metros, gramos, y litros, es el de unidades básicas de medida que utilizan actualmente las ciencias y el comercio en la mayoría de los países, a excepción de los Estados Unidos que han mantenido las unidades inglesas de pies, libras, y galones. En este libro se utilizará el sistema métrico de unidades. La Tabla 1-1 ilustra la comparación de las unidades básicas inglesas y las métricas.

Los átomos, que son los bloques estructurales de la mate­ria, están compuestos de tres partículas fundamentales: electrones, protones, y neutrones. Estas partículas subatómicas pueden distinguirse en razón de su masa (peso) y carga eléctrica (Tabla 1-2).  El electrón posee una carga negativa y casi ninguna masa. El protón tiene una carga positiva, y su masa es aproximadamente 2.000 veces mayor que la del electrón. El neutrón tiene aproximadamente la misma masa que posee el protón; pero no está cargado eléctricamente. El efecto principal de una carga eléctrica es el de la fuerza que ejerce sobre otras cargas eléctricas de su vecindad. Una fuerza de atracción ocurre entre una carga posiitiva y una negativa, y una fuerza repulsiva surge entre dos cargas similares, dos positivas o dos negativas. A las fuerzas atractivas y repulsivas que surgen entre estas partículas cargadas se debe la formación de los enlaces químicos entre los átomos y las moléculas, y son en última instancia, la causa de las interacciones químicas y físicas de la materia. (En el Capitulo 8 se expondrá más ampliamente la carga eléctrica, al explicar las propiedades eléctricas de las moléculas.)

TABLA 1-2.

Partículas subatómicas

Párticula	Descubridor	Fecha	Carga electronica	Masa relativa
Elctrón	Thomson	1897	Negativa	1
Protón	Rutherford	1919	Positiva	1836
Neutron	Chadwick	1932	Neutra	1838

Los protones y neutrones están agrupados en un volumen muy pequeño, en el centro del átomo, formando un núcleo cargado positivamente; be electrones, cargados negativamente, giran alrededor del núcleo en forma muy similar a la revolución de los planetas alrededor del sol (Figura 1-1). Los protones, de carga positiva, que normalmente se repelen entre sí, se hallan agrupados en el núcleo del átomo por fuerzas nucleares muy poderosas de corto alcance, que se encuentran allí presentes; a dichas fuerzas se deben las enormes cantidades de energía liberada con la fisión del núcleo de un átomo a causa de una reacción atómica, tal como sucede cuando estalla un arma nuclear. Estas poderosas energías del núcleo que estabilizan la estructura atómica no tienen función alguna en las interacciones químicas y física de los átomos del organismo.

Considerando que los neutrones y protones son aproximadamente 2.000 veces más pesados que los electrones, casi toda la masa del átomo se halla ubicada en el núcleo. El hidrógeno es el elemento más liviano, con un protón único en su núcleo, y el lawrencio es el más pesado, con 103 protones y 154 neutrones. Debido al peso despreciable de los electrones, se esperaría que el átomo de lawrencio fuera 103 + 154 = 257 veces más pesado que el átomo de hidrógeno. Me­diante la comparación de los pesos de los diferentes átomos, se puede establecer una escala relativa de pesos. El átomo de carbono es 12 veces más pesado que el de hidrógeno; de esta manera podemos asignar un peso relativo de 12 al carbono, y un peso relativo de 1 al hidrógeno, y así para los demás átomos. El peso relativo de un átomo se denomina peso atómico. No hay ninguna unidad real tal como gramos o libras, asociada con el peso atómico; el peso atómico del carbono, por ejemplo, significa que el átomo del carbono es 12 veces más pesado que el átomo de hidrógeno, el cual tiene un peso atómico de 1. Se puede apreciar la utilidad de la escala del peso atómico relativo si se consideran los tipos de números que se necesitarían para referirse al peso real de los átomos. Los pesos reales en gramos, son:

Peso de un átomo de carbono

                                  = 0,0000000000000000000000199

Peso del átomo de hidrógeno

                                  =0,0000000000000000000000017

El peso relativo de una molécula compuesta de dos o más átomos se llama peso molecular, y es igual a la suma de los pesos atómicos de todos los átomos que forman la molécula. Así, por ejemplo, una molécula de agua, H₂O, que contiene: dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, tiene un peso molecular de 1 + 1 + 16 = 18. La cantidad de compuestos químicos presentes en un tubo de ensayo, en una célula o en todo el cuerpo, puede representarse estableciendo el número de gramos de la sustancia o el número total de moléculas presentes. Una unidad adicional para medir la cantidad de sustancia de un sistema, que contempla tanto el peso de la molécula como el número de moléculas presentes, se denomina mol. El número total de moles presentes en un sistema es igual al peso del compuesto, en gramos, dividido por su peso molecular.

TABLA 1-3

Moles =    peso en gramos

                peso molecular

Composición de los átomos

Así pues, un mol de un compuesto es el peso en gramos de dicho compuesto, igual a su peso molecular; por ejemplo, 18 g de agua, cuyo peso molecular es 18, es 1 mol de agua, y 9 g de agua son ½ mol. El número de gramos de la mayoría de los compuestos presentes en los sistemas biológicos es generalmente muy inferior a 1 mol, y el milimol (mmol = 0,001 mol) es la unidad comúnmente utilizada para medir la cantidad de sustancia presente en los sistemas biológicos. Dado que el mol tiene como base el peso molecular de una sustancia, el cual es proporcional al peso real de la molécula, 1 mol de cualquier compuesto debe contener el mismo número de moléculas que un mol de cualquier otro compuesto. El número real de moléculas presentes en un mol es muy grande, 6 x 10²³ moléculas por mol, aproximadamente.

A menudo, es más conveniente expresar la cantidad de sustancia presente en un volumen específico del sistema, que dar la cantidad total presente en todo el sistema. El término concentración se refiere a la cantidad de sustancia presente en una cantidad específica de volumen de un sistema. La unidad primaria de volumen en el sistema métrico es el litro; las concentraciones se expresan como gramos por litro, moléculas por litro, o moles por litro. Utilizando la concentración en lugar de la cantidad total, se logra compararla composición química de los sistemas que poseen volúmenes completamente diferentes, por ejemplo, la composición de una sola célula que tiene un volumen de 0,000000000000001 de litro, respecto de la composición de la sangre cuyo volumen apro­ximado es de 5 litros. Aunque la cantidad total de una sustancia del cuerpo puede variar según el tamaño del individuo, la concentración de muchas sustancias biológicas es aproximadamente la misma en todos los individuos, independientemente de su tamaño corporal.

Aunque sólo se conocen 103 elementos químicos diferentes, sólo unos cuantos de ellos tienen un papel importante en los organismos vivos. En efecto, apenas cuatro elementos, a saber: hidrógeno, carbono, nitrógeno, y oxígeno, componen el 96 por ciento del peso corporal, y algo más del 99 por ciento de los átomos del cuerpo (Tabla 1-4). En forma pura, el oxígeno, el hidrógeno, y el nitrógeno son gases, a la tempera­tura ambiente; el carbono, por lo general, es carbón ordinario; la mayor parte de la sustancia corporal está compuesta de cuatro bloques básicos. En la Tabla 1-4 podemos ver que el 65 por ciento del peso corporal está compuesto de oxígeno, y un 10 por ciento de hidrógeno. Sin embargo, un átomo de oxígeno pesa 16 veces más que un átomo de hidrógeno y, en realidad, dentro del cuerpo es mayor el número de átomos de hidrógeno que el de átomos de oxígeno. Así pues, la composi­ción porcentual del cuerpo, con base en el peso, no representa los números relativos de los diferentes átomos del cuerpo. El hidrógeno, que es el más simple de todos los átomos, no sólo es el más numeroso en el cuerpo, sino también el que forma más del 99 por ciento de todos los átomos del universo.

TABLA 1-4

Composición atómica del cuerpo:

los cuatro elementos más numerosos

Elemento	Número atómico	% del peso corporal total	% del total de atómos del cuerpo
Hidrógeno, H	1	10	63
Carbono, C	6	18	9
Nitrógeno, N	7	3	1
Oxígeno, O	8	65	26
		____________	________
Total		96	99

Aunque los cuatro elementos -hidrógeno, oxígeno, car­bono, y nitrógeno representan- algo más del 99 por ciento de los átomos del cuerpo, la mayor parte del 1 por ciento restante de los átomos desempeña papeles de máxima importancia, y es esencial para la vida del organismo. La Tabla 1-5 enumera 24 elementos que, según nuestros conocimientos actuales, son esenciales para el funcionamiento normal del organismo. Los cuatro elementos principales suministran a los compuestos del cuerpo y al agua, las estructuras básicas. La mayoría de los siete elementos enumerados como minerales principales existen como partículas cargadas eléctricamente (iones, ver más adelante), y en conjunto con el agua, conforman los medios intra y extracelulares en que se encuentran suspendidos los materiales del cuerpo. Veremos que estos elementos desempeñan papeles muy importantes en la actividad eléc­trica del cuerpo y en el transporte y utilización de energía química por parte de las células. Los 13 elementos trazas enumerados en la Tabla 1-5 son aquéllos que están presen­tes en cantidad muy reducida,, pero son esenciales para el mantenimiento del crecimiento y funciones normales de los mamíferos. Cada vez hay más evidencia indirecta de que estos mismos elementos son esenciales para el crecimiento y funcionamiento normales de los seres humanos; en un futuro, es posible que se agreguen a esta lista nuevos elementos trazas.

TABLA 1- 5

Elementos esenciales del cuerpo

	Símbolo		Elemento
	1. Elementos principales: 99,3% del total de átomos
		H	Hidrógeno
		O	Oxígeno
		C	Carbono
		N	Nitrógeno
	2. Minerales principales: 0,7% del total de átomos
		Ca	Calcio
		P	Fósforo
		K (del latín, kalium)	Potasio
		S	Azufre
		Na (del latín, natrium)	Sodio
		Cl	Cloruro
		Mg	Magnesio
	3. Elementos trazas: menos del 0,01% del total de átomos
		Fe (del latín, ferrum)	Hierro
		I	Yodo
		Cu (del latín, cuprum)	Cobre
		Zn	Cinc
		Mn	Manganeso
		Co	Cobalto
		Cr	Cromo
		Se	Selenio
		Mo	Molibdeno
		F	Flúor
		Sn (del latín, stannum)	Estaño
		si	Silicio
		V	Vanadio

Además de los 24 elementos que aparecen en la Tabla 1-5, pueden detectarse muchos otros en el cuerpo, al cual entran en los alimentos que ingerimos y en el aire que respi­ramos, sin que hasta el presente parezcan tener una función química esencial. Algunos elementos, por ejemplo, el plomo y el mercurio, que parecen no ser esenciales para el funciona­miento normal, son además eventualmente tóxicos en medida extrema, y nocivos a los procesos quimicos normales del cuerpo.

En 1936 se le podían comprar a un istribuidor de produc­tos químicos todos los elementos del cuerpo, por 98 centavos de dólar. (Hoy, debido a la inflación, tales elementos costarían 3,50 dólares.) Lo que importa saber no es tanto cuáles de estos elementos están presentes en el cuerpo, cuanto la forma en que se agrupan para constituir moléculas que reac­cionan con otras moléculas a fin de producir la variedad de funciones que desempeña el cuerpo humano.

Moleculas

Las moléculas se forman al unirse los átomos mediante enla­ces químicos. Es durante el proceso de formación y ruptura de enlaces químicos entre los átomos, cuando se libera la ener­gía potencial química de una molécula. Un enlace químico puede compararse con un resorte que une dos átomos; el estiramiento del resorte representa la energía del potencial almacenada que se libera cuando se rompe el enlace.

La formación de un enlace químico implica intercambio o posesión compartida de electrones, entre dos átomos. Dado que los átomos son eléctricamente neutros, cualquier transferencia de un electrón de un átomo a otro origina aumento de carga positiva para un átomo, y negativa para otro. La atracción entre cargas positivas y negativas constituye la base del enlace químico.

Los átomos de hidrógeno pueden reaccionar con átomos de carbono, nitrógeno, y oxígeno para formar moléculas de metano, CH ₄, amoníaco, NH3, y agua, H₂0 (Figura 1-2). Dondequiera que se forme un enlace químico, el electrón asociado con el átomo de hidrógeno se encuentra parcial­mente incorporado dentro de la estructura electrónica del otro átomo. Mediante la formación del enlace químico, los electrones son compartidos por ambos átomos, y la interacción eléctrica mantiene los átomos unidos. El número de átomos que puede formar determinado átomo depende de su estruc­tura electrónica. De esta manera, el hidrógeno no puede formar sino un enlace, mientras el oxígeno puede formar dos, el nitrógeno tres, y el carbono cuatro. A veces puede formarse entre dos átomos un doble enlace, como sucede con el bió­xido de carbono, CO₂ , 0=C=0, donde los enlaces químicos del carbono llegan a cuatro, mientras los del oxígeno solamente a dos. En el metano, los cuatro enlaces químicos del carbono están constituidos por cuatro átomos separados de hidrógeno. Un enlace químico se representa, por lo gene­ral, con una línea que une dos átomos; dos líneas indican un doble enlace.

Aunque los átomos individuales son esféricos, no lo es la forma de la molécula resultante de su combinación. Cuando un solo átomo tal como el de carbono puede formar cuatro enlaces separados, una molécula formada por muchos áto­mos de carbono puede tener muchas ramas, como se observa en la Figura 1-3. La forma de la molécula desempeña a menudo un papel muy importante en su función, dentro de los organismos vivos. Aun cuando una molécula esté formada por unos pocos átomos, tal como sucede con las moléculas de metano, amoníaco y agua, el resultado tiene una configu­ración geométrica definida (Figura 1-4). Cuando, con determinado átomo, se forma más de un enlace químico, los enla­ces se distribuyen alrededor del átomo, conformando un patrón definido que puede ser, o no, simétrico. Así pues, los cuatro enlaces de un átomo de carbono presentes en las cuatro esquinas de un tetraedro tienen un átomo de carbono en el centro. Los tres enlaces del átomo de nitrógeno forman las tres patas de un trípode, y los dos enlaces del átomo de oxigeno no se presentan en línea recta sino más bien formando un ángulo de 105 grados.

Iones y moléculas polares

Exactamente como los átomos de hidrógeno y oxígeno son por sí mismos eléctricamente neutros, la molécula de agua, H₂O, formada por ellos es eléctricamente neutra. En una molécula de agua, el número total de electrones es igual al número total de protones. Sin embargo, el electrón negativo de cada átomo de hidrógeno es más fuertemente atraído hacia el núcleo positivo del oxígeno que contiene ocho protones, que hacia el protón único presente en el núcleo de hidrógeno y, por consiguiente, el átomo de oxígeno es ligera­mente negativo, y los dos átomos de hidrógeno ligeramente positivos. Los enlaces hidrógeno‑oxigeno de la molécula de agua adquieren polaridad, y se dice que el agua es una molécula polar (Figura 1-5). En general, cuando los átomos diferentes están unidos por un enlace químico, los electrones no se encuentran igualmente distribuidos, y se originan enlaces polares. Por el contrario, cuando se unen dos átomos similares, como los del carbono, los electrones son compartidos por igual, y el enlace es polar. La presencia de enlaces polares en una molécula, propicia los sitios donde se efectúan fuertes interacciones eléctricas con otras moléculas.

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Algunas interacciones entre átomos originan. la transfe­rencia completa de un electrón de un átomo a otro, produ­ciéndose así átomos que poseen una carga neta y que deno­minamos iones. En esta forma, un átomo de sodio transfiere un electrón a un átomo de cloro, y se forma un ion sodio positivo que contiene 11 protones y sólo 10 electrones. Al ganar un electrón, el átomo de cloro se transforma en ion cloruro negativo que contiene 18 electrones y sólo 17 protones (Figura 1-6). La formación de iones constituye un caso extremo de enlace químico polarizado en cuanto ocurre una transferencia completa de carga entre dos átomos. Algunos átomos pueden perder o ganar más de un electrón. Por ejemplo, los átomos de calcio y magnesio pueden perder dos electrones para convertirse en iones calcio, Ca²⁺, y

 

Uno de los iones más importantes del cuerpo es el ion hidrógeno, H+. Cuando el único electrón del átomo de hidró­geno se transfiere completamente a otro átomo, permanece tan sólo el protón del núcleo de hidrógeno; esto constituye el ion hidrógeno. Las moléculas que dan lugar a la producción de iones hidrógeno se denominan ácidos. La acidez de una solución se determina por la concentración de iones hidrógeno. Por ejemplo, el ácido clorhídrico, HCI, disuelto en agua, produce un ion hidrógeno, H⁺, y un ion cloruro, Cl ^-, transfi­riéndose el electrón del átomo de hidrógeno al átomo de cloro. De igual manera, el ácido acético, CH₃COOH, puede formar un ion hidrógeno, H⁺, y un ion acetato.CH₃C00‑ (Figura 1-7). Aquí se rompe el enlace hidrógeno-oxígeno, y el átomo de oxígeno captura completamente el electrón del hidrógeno. Cuando se rompe el enlace hidrógeno-oxigeno, se dice que la molécula sufre un proceso de ionización, siendo los produc­tos resultantes los iones hidrógeno y acetato.

Aunque son muchos los enlaces químicos capaces de afrontar un proceso de ionizaciòn y por ende, de producir moléculas cargadas, la mayoría de los enlaces químicos que involucran átomos de hidrógeno y carbono no se ionizan y permanecen eléctricamente neutros. En esta forma, el me­tano, CH ₄, no puede producir iones hidrógeno y convertirse en ion metano. En esta molécula, las fuerzas que atraen el electrón del hidrógeno al átomo de carbono no son suficien­temente fuertes para permitir que el carbono arranque com­pletamente el electrón del hidrógeno y forme un ion hidró­geno. Las agrupaciones polares iónicas, que comúnmente se encuentran en las moléculas orgánicas, se estudiarán posteriormente (Figura 1-14).

Resumiendo, las moléculas se componen de átomos que se mantienen unidos mediante enlaces químicos, los cuales se forman al compartir dos átomos un electrón. Las fuerzas eléctricas que mantienen juntos los átomos son una fuente de energía potencial que puede liberarse cuando se rompen los enlaces. Según el tipo de sus enlaces químicos, una molécula puede ser eléctricamente neutra, polar, o iónica.

Estados de la materia

Cuando varias moléculas se agrupan, forman agregados ma­yores de materia. Se reconocen tres estados generales de la materia: gaseoso, líquido, y sólido. La capacidad de existir de la materia en uno de estos tres estados depende de las fuerzas de interacción entre las moléculas. En los tres esta­dos, las moléculas se hallan en continuo movimiento. Al aumentar la temperatura, se acelera el movimiento de las molé­culas. Los tres estados de la materia difieren según el grado de libertad que poseen las moléculas para moverse individualmente. Las fuerzas que operan entre las moléculas, como las que mantienen unidos los átomos, son fuerzas eléctricas originadas en grupos ionizados en una molécula, o en enlaces químicos polares. Un ion negativo es atraído por un ion positivo, y la porción negativa de un enlace químico polar de una molécula es atraída por la porción positiva de un enlace polar de otra molécula. En general, las fuerzas eléctricas que actúan recíprocamente entre las moléculas son considerablemente más débiles que las fuerzas que unen los átomos dentro de una molécula.

A la fuerza eléctrica de atracción que une las moléculas se opone el movimiento de las mismas moléculas que tiende a separarlas. Si la fuerza de atracción entre las moléculas es mayor que la energía cinética promedio de las moléculas en movimiento, éste resulta severamente restringido y se origina el estado sólido. En éste, las moléculas vibran en posiciones relativamente fijas, con poca libertad de movimientos independientes, unas respecto de otras. En el estado gaseoso, las fuerzas de atracción entre moléculas son muy débiles en relación con su energía cinética, y existe poca restricción de movimientos entre las moléculas individuales. El estado lí­quido ocupa una posición intermedia en cuanto sus moléculas poseen mayor libertad de movimiento que las del estado sólido, sin llegar a la irrestricta libertad característica del estado gaseoso. Mediante la elevación de la temperatura que aumenta la energía cinética de las moléculas individuales de tal manera que alcancen a sobrepasar las fuerzas de atrac­ción que las sujetan, se logra la transición del estado sólido al líquido, o de éste al gaseoso. De esta manera, al calentar el hielo (sólido), éste se convierte en agua (líquido), y el calentamiento ulterior del agua la convierte en vapor de agua (gas).

Los tres estados de la materia se encuentran en nuestro cuerpo. El aire que respiramos es una mezcla de gases; los huesos, los dientes, las uñas, y el pelo, son sólidos. La mayor parte del cuerpo, sin embargo, existe en el estado líquido, y la molécula causante de dicho estado líquido es la del agua.

Agua. El agua constituye el medio en que suceden todos los procesos vitales, y la vida, tal como la conocemos, es inconcebible en ausencia de esta insignificante y sencilla molécula; el 60 por ciento del peso corporal es agua, y el 80 por ciento del peso de una célula típica es agua. Así como el hidrógeno es el átomo más numeroso del cuerpo, así también el agua constituye la molécula más numerosa del mismo; de cada 100 moléculas del cuerpo, 99 son de agua.

Anotamos ya que los enlaces hidrógeno-oxígeno de la molécula de agua son polares, de tal manera que el átomo de oxígeno es ligeramente negativo, y los dos átomos de hidrógeno ligeramente positivos. A esta estructura polar se debe que el agua sea líquida a la temperatura ambiente. La ligera negatividad del átomo de oxígeno, en una molécula de agua, es objeto de atracción eléctrica por parte del átomo de hidró­geno, ligeramente positivo, de una segunda molécula de agua, formándose así una atracción electrostática entre dos moléculas de agua, mucho más débil que el enlace químico que existe entre los átomos de hidrógeno y oxígeno de la molécula del agua. Esto no implica intercambio de electrones entre las moléculas. Cada molécula de agua puede formar cuatro enlaces electrostáticos, uno con cada uno de sus dos átomos de hidrógeno, y dos con su átomo de oxígeno. Esta estructura se repite indefinidamente entre moléculas adya­centes de agua hasta que se forma una estructura tridimen­sional de enrejado. A temperaturas bajas, el agua se encuen­tra como hielo sólido, en el cual casi todas las moléculas de agua están ligadas unas con otras, y hay relativamente poca libertad de movimiento para las moléculas individuales. Al elevarse la temperatura, se incrementa la energía cinética de las moléculas y se rompe cierto número de estos enlaces débiles, transformándose el hielo sólido en agua líquida. En el estado líquido, el agua existe probablemente como congIomerados de moléculas de agua unidas entre sí (Figura 1-8). A temperaturas más elevadas, se rompe un número cada vez mayor de enlaces eléctricos débiles, y aumenta la libertad de movimiento para las moléculas individuales del agua, permitiéndoles escapar de la atracción de sus vecinas, para adquirir el estado gaseoso

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Una molécula disuelta en un líquido se denomina soluto. El agua puede actuar como solvente respecto de una gran variedad de solutos porque las moléculas de agua pueden formar enlaces eléctricos débiles con las moléculas del soluto. Por ejemplo, la sal de cocina (cloruro de sodio, NaCI) es una sustancia sólida cristalina debido a la fuerte atracción eléctrica entre los iones sodio, Na⁺, positivos y los iones cloruro, CI-, negativos. La sal se disuelve en agua porque las moléculas polares del agua son atraídas a los iones sodio y cloruro, altamente cargados, y los rodean de un conglomerado de moléculas de agua (Figura 1-9). El conglomerado de moléculas de agua alrededor de los iones disminuye la fuerza eléctrica de atracción entre los iones sodio y cloruro, permitiéndoles separarse y entrar en solución con el medio acuoso.

Para que una molécula se disuelva en agua, debe tenerla capacidad de formar enlaces electrostáticos con las moléculas individuales de agua. Es decir, debe poseer, en su estructura molecular, cierto número de iones o grupos polares que puedan asociarse con los grupos polares de la molécula de agua. Las moléculas que no se disuelven en agua tienen, si acaso, pocos grupos polares o iónicos. Aunque la mayoría de las moléculas que consideraremos pueden disolverse en agua ya que contienen tales grupos, una clase muy impor­tante de moléculas biológicas en que se hallan comprendidas las grasas, no es soluble en agua. El hecho de que estas moléculas no puedan asociarse con las moléculas polares del agua, constituye un aspecto importante de su papel funcional en los sistemas vivos.

Por ser tantas las moléculas de diferente naturaleza que pueden disolverse en agua, es ésta un medio ideal para las reacciones químicas. Para que dos moléculas entren en reac­ción química, deben estar suficientemente cercanas como para interactuar conformando nuevos enlaces químicos. En el estado sólido no existe movimiento molecular individual suficiente para reunir un gran número de moléculas en una reacción química. En un gas, las moléculas poseen libertad de movimientos, pero su concentración (número de moléculas en un volumen dado) es tan pequeña que la probabilidad de que entren en contacto unas con otras es reducida. Cuando se disuelven las moléculas en agua, puede lograrse en un volumen pequeño una concentración relativamente alta que permita suficiente libertad de movimientos para que ocurran colisiones frecuentes entre las moléculas.

El agua es no sólo el medio en que ocurren las reacciones químicas sino también frecuentemente un coadyuvante. Sus átomos pueden incorporarse dentro de otra molécula en el transcurso de una reacción química o bien, puede formarse una molécula de agua durante el curso de una reacción

donde R y R' representan la estructura restante de la molécula.

Hemos expuesto sólo algunas de las propiedades básicas del agua, pero en los próximos capítulos se demostrará que el agua participa prácticamente en todos los procesos de un organismo vivo. La circulación de la sangre y de los fluidos corporales sería imposible sin un medio líquido tal como el agua, y la regulación de la temperatura corporal depende, en parte, de la evaporación del agua a nivel de la piel. El estado vivo debe necesariamente mantener un equilibrio hídrico apropiado, y con tal propósito el cuerpo ha desarrollado múltiples mecanismos que regulan el suministro, distribución, y eliminación de esta sustancia decisiva.

Estructura y propiedades de las moléculas orgánicas

La química del carbono

A pesar de la importancia del agua en los sistemas vivos, la química de la vida se halla concentrada alrededor del átomo de carbono. Si a un organismo le sustraemos toda el agua (el 60 por ciento del peso corporal), el 40 por ciento restante constituye el peso seco del cuerpo. Aunque el hidrógeno es el átomo más numeroso, contabilizado sobre la base tanto del peso hidratado como del seco, es el carbono y no el oxígeno el que ocupa el segundo lugar entre los elementos quecompo­nen el peso seco

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Hasta el siglo XIX los químicos habían logrado avanzar poco en la comprensión de las reacciones químicas en que participa el carbono. Se sabía que las moléculas que contie­nen carbono se encontraban primariamente en los organismos vivos, mientras la materia inanimada estaba compuesta ante todo de elementos minerales tales como hierro, cobre, cinc, calcio, magnesio, fósforo, azufre, cloro, sodio, y potasio, así como el oxígeno, nitrógeno e hidrógeno. Los elementos minerales entran fácilmente en reacción, unos con otros, para formar estructuras moleculares simples que constan de pocos átomos relativamente, pero se descubrió que los com­puestos de carbono presentes en los organismos vivos eran estructuras muy complejas, que contenían muchos átomos (a mentido, millares). Estos no parecían reaccionar químicamente de manera tan fácil como los elementos minerales. Se creyó que eran básicamente compuestos diferentes de los que se encuentran en el mundo inanimado, y que sólo podrían sintetizarse dentro de las células vivas, bajo la influencia de alguna "fuerza vital" misteriosa. A principios del siglo XIX, lograron finalmente los químicos sintetizar en un tubo de ensayo, independientemente de la materia viva, moléculas formadas por carbono, y lograron, asimismo, demostrar que estas moléculas obedecían a las mismas leyes químicas básicas de los elementos minerales. No se requerían, en absoluto, fuerzas vitales inherentes a los organismos vivos para explicar la estructura y propiedades de las moléculas orgánicas.

Por hallarse en forma natural el carbono en la mayoría de las moléculas que se encuentran en los organismos vivos, el estudio de la química de los compuestos del carbono llegó a denominarse química orgánica, mientras la química de las moléculas no-carbónicas recibió el nombre de química inorgánica. Cuando los químicos llegaron a manipular "in vitro" las reacciones de las moléculas de carbono, la ciencia de la química orgánica se expandió con gran rapidez. Muchos productos de nuestra tecnología, tales como los plásticos, el caucho sintético, las fibras de nylon, las pinturas, y los detergentes, se han desarrollado con base en la ciencia de la química orgánica, aunque tienen poco en común con las moléculas presentes en los organismos vivos. La química orgánica surgió del estudio de las moléculas que se encuen­tran en los organismos vivos, pero la química de las sustancias vivas, la bioquímica, comprende actualmente sólo una parte del campo de la química orgánica.

Una sola de las propiedades del carbono ha logrado la dedicación de todo un campo de la química a su estudio, y con su variedad de estructuras y funciones hace posible la vida. Es la capacidad de los átomos de carbono para formar cuatro enlaces químicos separados con otros átomos y, en particular, con otros átomos de carbono, lo cual permite la formación de moléculas cada vez mayores, y de una gran variedad de estructuras. La Figura 1-10 presenta las diversas formas en que pueden combinarse uno, dos, tres, cuatro y cinco átomos. Con cuatro átomos de carbono pueden formarse dos estructuras diferentes; con cinco átomos de carbono son po­sibles tres estructuras moleculares. Con cada adición de un átomo de carbono se incrementa el número de agrupaciones posibles. No existe límite para el número de átomos de carbono que pueden combinarse en esta forma. Si consideramos también la posibilidad de combinación de los átomos de carbono con otros átomos tales como el de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, y azufre, es considerable la variedad de estructuras moleculares que pueden formarse con pocos átomos, relativamente. Algunos ejemplos de las moléculas orgánicas más simples pueden observarse en la Figura 1-11.

Aunque sobre el papel diseñamos estructuras diagramáti­cas planas, debemos recordar que las moléculas son tridi­mensionales. Como se dijo, los cuatro elementos del carbono forman un tetraedro que rodea el átomo de carbono. As( pues, cuando cierto número de átomos de carbono están enlazados mutuamente en sucesión, no forman una línea completa­mente recta ya que dos enlaces del mismo átomo de carbono no están nunca en línea recta, el uno respecto del otro. Otros átomos, tales como el de hidrógeno, que ocupan los enlaces restantes del carbono, están orientados hacia los lados de la cadena de carbono.

La forma tridimensional de una molécula orgánica no es, empero, una estructura rígida. Sin embargo, dentro de ciertos límites, las moléculas son flexibles puesto que pueden alterar su forma sin cambiar ninguno de sus enlaces químicos, al poder rotar los átomos alrededor de sus enlaces. Un enlace químico es semejante a un eje que une dos átomos y sobre el cual los átomos pueden girar, independientemente el uno del otro. La Figura 1-12 ilustra el cambio de forma que la rotación hace posible. El átomo de carbono número uno permanece fijo en su posición, mientras los átomos dos y tres alteran su posición a medida que giran sobre las uniones de los átomos uno y dos. Cada enlace entre átomo y átomo de carbono puede rotar de manera semejante. De esta manera, la secuencia de seis átomos de carbono puede asumir diferentes formas, algunas de las cuales aparecen ilustradas en la Figura 1-13. Cada Figura representa la misma molécula ya que no se ha presentado destrucción, alteracion, oformacion del enlace.

 

 

Además del carbono e hidrógeno, se encuentran átomos de oxigeno, nitrógeno, y ocasionalmente de azufre y fósforo, en las moléculas orgánicas o iónicas, donde forman enlaces polares o iónicos. La Figura 1-14 enumera algunos de los grupos químicos más comunes, e indica su estructura polar o iónica. En el grupo polar hidroxilo -OH, el oxígeno es ligeramente negativo y el hidrógeno ligeramente positivo, tal como sucede con el agua. Las moléculas que poseen grupos car­boxilo, -COOH, son ácidos porque poseen la capacidad de que uno de los átomos de oxígeno se ionice formando un ion hidrógeno y un ion carboxilo. El grupo amino, -NH₂, puede ionizarse si se combina con un ion hidrógeno libre. El grupo fosfato, -H₂PO₄, se encuentra generalmente en forma iónica debido a la ionización de dos de sus átomos de oxígeno. La presencia de estos grupos en una molécula orgánica aumenta su solubilidad en agua porque sus estructuras iónicas y polares se asocian con las moléculas polares del agua.

Clasificación de las moléculas que se encuentran en los sistemas vivos

Las diferentes clases de moléculas que se encuentran en el cuerpo figuran en la Tabla 1-6. Hemos expuesto hasta el momento las propiedades generales del agua. 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.

TABLA 1-6

Composición molecular del cuerpo

Constituyente	% del peso hidratado
Agua	60
Proteína	17
Lípido	15
Minerales (Na, K, Cl, Ca, Mg, etc.)	5
Intermediarios y ácidos nucleicos	2
Carbohidrato	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. Sólo muy brevemente consideraremos aquí las características de cada una de estas categorías, dejando para los capítulos venideros una explicación más amplia de las propiedades de las moléculas de cada categoría.

Proeínas 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. Según la Tabla 1-6, las proteínas constituyen el 17 por ciento del peso corporal, y aproximadamente el 50 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, como lo veremos en el Capítulo 3. 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 á 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

.

Aunque una molécula proteica está compuesta de millares de átomos, la estructura básica de la molécula es sobremanera simple. Así como una gran molécula puede constituirse por el enlace de varios átomos de carbono, una molé­cula proteica se forma de la unión de un gran número de subunidades moleculares semejantes. Las grandes moléculas formadas por subunidades que se repiten muchas veces se denominan polímeros (del griego, muchas partes). La subunidad de la arquitectura proteica es el aminoácido; las proteínas son polímeros de aminoácidos. Todos los aminoácidos poseen una propiedad estructural común, a saber, tanto un grupo amino, -NH₂, como un grupo carboxilo (ácido),

-COOH, adheridos al carbono terminal de la molécula, tal como se observa en la Figura 1-15. El resto de la molécula, representado por R, puede tener cierto número de formas moleculares diferentes, y se le denomina por lo regular, cadena lateral del aminoácido. Se conocen aproximadamente 20 aminoácidos diferentes, es decir, existen en las proteínas 20 grupos R diferentes, sin que esto signifique que los 20 aminoácidos necesariamente estén presentes en una pro­teína determinada. La Figura 1-16 presenta unos cuantos ejemplos de cadenas laterales de aminoácidos. Algunas de las cadenas laterales son neutras, otras son polares, y otras poseen grupos ionizados, y tienen por consiguiente, una carga eléctrica negativa o positiva. Estos grupos cargados eléctricamente desempeñan un papel importante en el funcionamiento de la molécula proteica.

Las moléculas proteicas se forman mediante el enlace de un grupo amino de un aminoácido con el grupo carboxilo de otro aminoácido, a través de un enlace conocido como enlace peptidico. Durante el proceso se forma una molécula de agua (Figura 1-17). Obsérvese que la molécula que resulta del enlace de dos aminoácidos posee un grupo carboxilo en uno de los extremos, y un grupo amino en el otro. Cada uno de estos grupos puede formar enlaces peptídicos ulteriores con otros aminoácidos, alargando así indefinidamente la cadena de aminoácidos. Los enlaces peptídicos que se forman entre los grupos amino y carboxilo constituyen la espina dorsal de una proteína, y los grupos R de los aminoácidos conforman las cadenas laterales.

La estructura primaria de una molécula proteica es pues simplemente una cadena de aminoácidos unidos por medio de enlaces peptídicos. ¿Cómo pueden las proteínas llevar a cabo las múltiples funciones de un organismo, si su estructura molecular se presenta como repetitiva? Para empezar, la secuencia de aminoácidos, en una‑ proteína, no es una se­cuencia de unidades moleculares idénticas. Hay 20 aminoá­cidos diferentes y, por lo tanto, 20 posibles cadenas laterales diferentes en el eje proteico. Si consideramos una molécula proteica muy pequeña, de sólo tres aminoácidos, y supone­mos que únicamente pueden estar presentes en esta proteína dos aminoácidos diferentes, A y B, es posible entonces cons­truir ocho moléculas proteicas diferentes que contengan la secuencia de aminoácidos de la Figura 1-18. Uno de los dos aminoácidos A o B puede ocupar la primera, segunda, y tercera posiciones; existe, por lo tanto, la posibilidad de formar 2 x 2 x 2 = 8 moléculas diferentes. Si avanzamos un paso más y permitimos que uno cualquiera de los 20 aminoácidos diferentes ocupe cualquiera de las tres posiciones en esta proteína simple, el número posible de moléculas con sólo tres aminoácidos se convierte en 20 x 20 x 20 = 8.000. Si consideramos cadenas proteicas que posean seis aminoácidos, encontramos que 20⁶ = 64.000.000 es el número de moléculas proteicas que pueden formarse de los 20 aminoácidos, pero este número es infinitesimal si consideramos que, con muy pocas excepciones, aún la proteína más pequeña que se encuentra en el cuerpo contiene una secuencia aproximada de 50 aminoácidos. El número de las diferentes proteínas, con cadenas de 50 aminoácidos básicos, y construcción de 20 estructuras de aminoácidos es, por consiguiente, 20⁵⁰, o sea, un 1 seguido de 65 ceros. Pero aún 50 aminoácidos conforman una proteína muy pequeña. La hemoglobina, que es la proteína que se encuentra en los glóbulos rojos, posee 574 aminoácidos, y la miosina, una de las proteínas contráctiles del músculo, posee más de 4.500 aminoácidos. Por consiguiente, partiendo de 20 aminoácidos puede cons­truirse una variedad casi ilimitada de moléculas proteicas, mediante la simple agrupación y alternación del número total de aminoácidos, lo cual cambia las propiedades físicas y químicas de la molécula. Todo esto alcanza a significar que es posible construir estructuras proteicas propias para cualquier función particular del cuerpo. Posteriormente veremos ejemplos acerca de la forma en que el simple cambio de un aminoácido en una secuencia de varios centenares puede alterar completamente la función de una molécula proteica.

Cuando decimos que estamos en capacidad de construir una molécula proteica que se "adapte" casi a cualquier fun­ción determinada, afirmamos algo que puede tomarse casi al pie de la letra, ya que muchas reacciones proteicas incluyen la adaptación geométrica conjunta de las formas de dos moléculas, muy por el estilo de las piezas de un rompecabezas. Hasta aquí hemos considerado solamente la estructura primaria de las proteínas, esto es, la secuencia de aminoácidos de la cadena proteica. Dada la posibilidad de rotar sobre cualquiera de sus enlaces químicos, la molécula proteica no es como una varilla rígida, sino más bien como una cuerda flexible que se acomoda a múltiples configuraciones. Los enlaces de átomos de oxígeno y nitrógeno adyacentes a los enlaces peptìdicos que unen los amioácidos, son polares, ­siendo el oxígeno ligeramente negativo, y el hidrógeno adherido al nitrógeno del grupo amino, ligeramente positivo. La atracción eléctrica entre estos grupos polares de diferentes partes de la molécula tiende a mantener unida la molécula. Dado que los enlaces peptídicos se encuentran regularmente espaciados a lo largo del eje proteico, se presenta a lo largo de la cadena proteica un repetitivo patrón ordinario de atracción que produce la configuración en espiral, conocida como helice a (figura 1-19)

Además de las interacciones eléctricas entre los enlaces peptídicos, muchas de las cadenas laterales de los aminoácidos poseen grupos eléctricamente cargados que interactúan con otros grupos así mismo cargados de la molécula, provocando así esta condición cierta distorsión del aspecto helicoidal regular que presenta la hélice a. En esta forma, parte de una molécula proteica puede tener la configuración de la hélice a, y parte, la forma de una espiral irregular. La hélice a puede dar lugar a espirales más largas debido a las reaccio­nes mutuas que se producen entre las cadenas laterales de los aminoácidos. Además de las interacciones eléctricas que influyen en la forma de la molécula proteica, pueden formarse igualmente verdaderos enlaces químicos entre las cadenas laterales de ciertos aminoácidos. El aminoácido cisteína, que posee un átomo de azufre, es capaz de establecer un enlace químico con otra molécula de cisteína, dando lugar a un enlace disulfuro entre dos aminoácidos de cisteína. Estos enlaces pueden formarse entre moléculas ampliamente separadas de cisteína, dentro de la cadena proteica, mante­niendo así, en íntima cercanía mutua, segmentos de la molécula que distan entre sí. La Figura 1-20 ilustra algunos de los numerosos patrones tridimensionales que pueden formar las moléculas proteicas.

entre los segmentos polares de los enlaces peptidicos que se presentan a intervalos regulares a lo largo de la cadena proteica.

Esta descripción de las propiedades generales de la estructura proteica se basa en multitud de investigaciones realizadas sobre muchas proteínas diferentes. Es relativamente muy poco lo que en realidad sabemos acerca de la estructura específica de la mayoría de las moléculas proteicas presentes en el cuerpo, y sólo unas pocas han sido objeto de análisis minucioso. Los problemas que implica la determinación de la estructura de una molécula específica de proteína son enor­mes. En 1958, Frederick Sanger fue galardonado con el premio Nobel en química por haber logrado determinar la secuencia de aminoácidos en la proteína insulina, después de muchos años de cuidadosos análisis químicos. La insulina, C _{2 5 7} H _{3 8 0} N _{6 4} O _{7 6} S ₆, que es una proteína muy pequeña, de sólo 51 aminoácidos, contiene 17 de los 20 conocidos, y está compuesta de 783 átomos. A partir del trabajo de Sanger, se han estudiado detalladamente muchas otras proteínas; sin embargo, no conocemos todavía la estructura completa sino de unas pocas moléculas proteicas. En algunos casos cono­cemos la forma tridimensional de la molécula sin conocer su secuencia de aminoácidos, mientras en otros conocemos la secuencia y no la forma. Para el químico, la determinación de la forma de la molécula y de su secuencia de aminoácidos constituye dos operaciones diferentes. Para la célula, sin embargo, no parecen requerirse los dos conjuntos de infor­mación relacionados con la forma y la secuencia, pues una vez que se ha construido la secuencia de aminoácidos, se produce automáticamente, en la mayoría de los casos, la forma de la molécula, dada la distribución de las cargas eléctricas a lo largo de la cadena proteica.

La síntesis de una molécula proteica en el tubo de ensayo es una tarea en extremo difícil; sin embargo, esta labor la puede realizar la célula viva en pocos segundos. Para sinteti­zar una proteína, la célula debe poseer información acerca de la secuencia de aminoácidos que deben componer la molécula proteica. Debe tener, por consiguiente, un mecanismo que transcriba esta información desde la programación hasta el producto final, de tal manera que cada aminoácido se coloque en la secuencia apropiada para formar una proteína específica. La forma en que las células sintetizan las proteínas será tema del Capítulo 4. Desde el año de 1963, varios labora­torios de China, Alemania y Estados Unidos han dado infor­mación acerca de la síntesis química de la insulina "in vitro". Dada la complejidad máxima del producto, tal logro repre­senta uno de los triunfos más importantes en la historia de la química.

Lípidos El viejo refrán de que el agua y el aceite no se mezclan nos ayuda a definir la clase de moléculas orgánicas que conocemos con el nombre de 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.

Las moléculas de los lípidos contienen muy pocos grupos polares o iónicos, lo cual explica su insolubilidad en el agua. Los lípidos están compuestos ampliamente de hidrógeno y carbono. Los lípidos más simples son los hidrocarburos, por ejemplo, el _n-  octano que describimos a continuación y que está constituido únicamente por estos dos elementos:

CH_3-CH₂-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH₃

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 fosfollpidos 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 15 por ciento del peso corporal total, y aproximadamente el 40 por ciento de la mate­ria orgánica del cuerpo.

Grasas neutras Las grasas neutras constituyen la mayor parte de los lípidos que se encuentran en el cuerpo y son estas moléculas las que solemos mencionar simplemente como grasa. El componente básico de la molécula en las grasas neutras es una cadena recta de hidrocarburos que posee un grupo carboxilo hacia uno de sus extremos, el cual se denomina ácido graso (Figura 1-21). Los ácidos grasos más comunes en el cuerpo son los que están compuestos de

Figura 1-21 Estructura de hidrocarburo de àcidos grasos saturados y poli-no-saturados.

CH₃-CH_2-CH_2-(CH₂)_12-CH_2-CH_2-COOH

  acido graso saturado

CH₃-(CH₂)_3-CH_2-CH=CH-CH_2-CH=CH-CH_2-(CH₂)_5-CH₂-COOH

ácido graso poli-no-saturado

dieciséis y dieciocho carbonos, aunque los hay también de composición superior o inferior a las cifras mencionadas. Dado que los ácidos grasos se sintetizan en el cuerpo mediante el enlace de dos fragmentos de carbono, la mayoría de los ácidos grasos posee un número par de átomos de carbono. Otra variable es la presencia o ausencia de dobles enlaces. ­Recuérdese que un átomo de carbono tiene la capacidad de formar cuatro enlaces químicos con otros átomos, y que a veces dos átomos de carbono se encuentran unidos mediante dos enlaces en lugar de uno.

Cuando una molécula de un ácido graso posee un doble enlace, se dice que se halla no-saturada. Los átomos de carbono unidos por el doble enlace no pueden asociarse con tantos átomos de hidrógeno cuantos átomos de carbono presentan enlaces simples, y por consiguiente, estos átomos no se saturan de hidrógeno. Si hay más de un doble enlace, se dice que el ácido graso es poli-no-saturado (Figura 1-21). Las grasas animales poseen generalmente una proporción muy alta de ácidos grasos saturados, mientras las grasas vegeta­les contienen una mayor cantidad de ácidos grasos múltiples no-saturados. Existe cierta evidencia de que los depósitos grasos de los vasos sanguíneos que pueden bloquear el flujo de la sangre se forman más fácilmente cuando la dieta contiene una gran proporción de ácidos grasos saturados; ésta es la razón por la cual tanto se insiste en la proporción de las grasas poli‑no‑saturadas en la ensalada y aceites de cocina.

Además de los ácidos grasos, las moléculas de grasas neutras contienen una molécula de tres carbonos, el glicerol, a la cual adhieren los ácidos grasos. Aunque presente en la molécula de grasa neutra, el glicerol no es en sí mismo un lípido ya que, por tener tres grupos hidroxilo, -OH, se disuelve fácilmente en agua. Una molécula de grasa neutra consta, por consiguiente, de tres cadenas de ácidos grasos enlazadas, por medio de su grupo carboxilo, a los tres grupos hidroxilo del glicerol (Figura 1-22), y se la denomina frecuentemente trigli­cérido por razón de los tres ácidos grasos adheridos a la estructura básica de la molécula del glicerol. Dado que los tres ácidos grasos no son necesariamente idénticos, puede for­marse cierta variedad de grasas neutras con diferentes cade­nas de ácidos grasos y diversos grados de saturación.

La mayoría de las personas que comen mucho tienden a engordarse. Si el cuerpo recibe más alimento del que puede utilizar para desarrollar sus funciones normales, convierte el exceso de nutrientes en moléculas de grasa neutra, en lugar de desechar el material no utilizado. Se puede reducir la cantidad de grasa del cuerpo sometiéndose a una dieta y reduciendo el consumo de alimentos. Si el cuerpo recibe menos alimento del que necesita para desarrollar sus funciones, emplea entonces sus reservas de grasa, las cuales al desintegrarse pueden liberar su energía potencial. Una de las principales funciones constituye pues a la grasa neutra en depósito de reserva de energía potencial.

Además de almacenar energía, los depósitos de grasa del cuerpo desarrollan otras funciones. Las capas de grasa que hay debajo de la superficie cutánea suministran aislamiento térmico que protege el organismo contra el frío; el máximo ejemplo lo constituye la grasa de la ballena. En la especie humana, la mujer posee un revestimiento subcutáneo de grasa mayor que el del hombre, lo cual le da su aspecto curvilíneo.

Fosfollpidos Los fosfolípidos son estructuralmente semejan­tes a las grasas neutras puesto que se componen por lo general de glicerol y ácidos grasos, pero de éstos contienen solamente dos, hallándose ligado el tercer grupo hidroxilo del glicerol a un grupo fosfato (Figura 1-23). Además, un grupo pequeño que posee nitrógeno se encuentra generalmente adherido al fosfato, y por lo común ambos están ionizados; a diferencia pues de las grasas neutras, partes de esta molé­cula están eléctricamente cargadas. En algunos fosfolípidos, las moléculas distintas del glicerol proporcionan a las dos cadenas de ácidos grasos y al fosfato el sitio de adhesión. A pesar de esta parte polar de la molécula, los fosfolípidos no son muy solubles en agua debido a las cadenas largas de hidrocarburos de sus ácidos grasos.

La parte cargada de un fosfolípido se halla hacia el ex­tremo de la molécula que contiene glicerol, tal como se ob­serva en la Figura 1-23. Este extremo de la molécula se asocia con las moléculas polares de agua, y las cadenas neutras de hidrocarburos se asocian con otros lípidos. Debido a esta división entre las partes neutra y cargada de la molé­cula, los fosfolípidos tienden a orientarse hacia las interfases agua‑lípido, tal como se observa en la Figura 1-24.

Las funciones de los fosfolípidos en el cuerpo se relacio­nan con esta propiedad. Los fosfolípidos forman uno de los principales componentes de las membranas celulares, y es la parte de los hidrocarburos la que le permite a la membrana actuar como barrera entre dos compartimientos hídricos, mientras la parte cargada es la que suministra la orientación estructural al fosfolípido del interior de la membrana. En el Capítulo 2 hablaremos más ampliamente de la función de los fosfolipidos en la membrana celular.

Esteroides La tercera categoría de lípidos, los esteroides (del griego, sólido), difiere estructuralmente de las otras dos. La estructura básica de todas las moléculas de los esteroides está integrada por cuatro anillos de átomos de carbono conectados entre sí (Figura 1-25). Unos pocos grupos polares se encuentran adheridos a los anillos del esteroide, condición que los hace insolubles en agua, y los diferencia como lípidos.

Los esteroides comprenden moléculas tales como la del colesterol, componente estructural de las membranas celulares, y muchas de las hormonas del cuerpo, tales como las sexuales masculinas y femeninas, testosterona y estrógeno (Figura 1-25).

Carbohidratos Aunque sólo constituyen el 1 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 química (ya hemos visto que los lípidos pueden utilizarse con este propósito, y veremos que aún las proteínas pueden ser fuente de energía química), 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, C_n (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 (Figura 1-26). La glucosa es un azúcar de seis carbonos, cuya fórmula, C₆H₁₂ O₆, coincide con la fórmula general de los carbohidratos, C₆(H₂0)₆ . Por poseer numerosos grupos -OH, los azúcares son perfecta­mente solubles en agua. La estructura de una molécula de azúcar puede representarse de dos maneras, como aparece en la Figura 1-26; la primera es la representación convencio­nal de las moléculas orgánicas, pero la segunda da una mejor idea de la estructura tridimensional de la glucosa. Cinco átomos de carbono están enlazados con un átomo de oxígeno formando un anillo que se encuentra esencialmente en el mismo plano, con el hidrógeno y los grupos hidroxilo por encima y por debajo de él. Si uno de los grupos hidroxilo ubicados por debajo del anillo se desplaza a una posición superior al anillo, tal como se observa en la Figura 1-27 resulta un azúcar diferente. La mayoría de los azúcares del cuerpo posee cinco o seis átomos de carbono

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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 (Figura 1-28), 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. La diferencia entre estas tres estructuras de­pende sólo de la forma en que se juntan las unidades de glucosa. La celulosa es un polisacárido estructural que se encuentra en las plantas, en las cuales forma las paredes rígidas de las células vegetales, y es el principal componente de la madera. La celulosa se compone de cadenas rectas de unidades de glucosa que se juntan por sus extremos para formar fibras largas. El hombre no puede utilizarla celulosa de los vegetales de que se alimenta porque su tracto intestinal no puede degradar estas moléculas gigantescas en unidades individuales de glucosa, capaces de ser aprovechadas por el cuerpo; pero el almidón que también es de origen vegetal, es fácilmente digerido por el hombre. El glicógeno es de origen animal y se lo denomina comúnmente almidón animal. Mediante la combinación de un gran número de unidades de glucosa en el polisacárido glicógeno, el cuerpo puede almacenar cantidades limitadas de carbohidratos, los cuales pue­den ser aprovechados cuando se requiere un incremento repentino en la producción energética. Las plantas pueden almacenar carbohidratos en calidad de almidón en cantidades mucho mayores de la que logran los animales en calidad de glicógeno. Las plantas atesoran la energía química primor­dialmente en forma de almidón, mientras los animales la conservan en forma de grasa neutra. A diferencia de la celu­losa, el glicógeno y el almidón están compuestos de cadenas ramificadas de glucosa (Figura 1-29).

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 se sintetizan moléculas especiales que realizan funciones específicas en el interior de la células mientras otras moléculás 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. Deberemos explicar algunos intermediarios en el Capítulo 3, al tratar de las reac­ciones metabólicas que suministran energía a la célula.

Acidos 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 (DNA) y ácido ribonucleico (RNA). La molécula del DNA posee la información genética primaria codificada dentro de su estructura molecular; las moléculas del RNA funcionan principalmente en la transcripción de la información contenida en la molécula del DNA en una forma que pueda ser utilizada por la célula para construir estructuras específicas que desempeñen funciones igualmente especificas. La forma de estas moléculas está tan íntimamente relacionada con su función dentro de la célula que nos vemos en la necesidad de dejar la exposición acerca de la estructura del ácido nucleico para el Capítulo 4, donde cónsidereremos cómo se.transmite la información de una a otra célula, y cómo se la descifra y utiliza para orientar la formación de las estructuras celulares.