SÍNTESIS PREBIÓTICA y BIOMOLÉCULAS

EL ENSAMBLAJE DE LAS MACROMOLÉCULAS (o biomoléculas)

¿Cómo podemos estudiar científicamente el origen de la vida en la Tierra? Las hipótesis existentes sobre las que nos paramos para explicar el origen de la vida son múltiples, y pocas han sido demostradas en forma completa por la falta de evidencia fósil. Estamos obligados entonces a pensar que la primera forma de vida, la más simple, se originó a partir de materia inerte que se organizó de forma especial, gracias a un proceso continuo de evolución molecular, llamado síntesis prebiótica. Los escenarios del origen de la vida, son por tanto, ensayables en laboratorio, aunque todavía seguimos siendo incapaces de recrear la vida en forma completa. Cualquiera sea la definición que tomemos para vida lo más importante es que somos incapaces de sintetizar las macromoléculas esenciales para la vida tal como la conocemos: los ácidos nucleicos y las proteínas.

¿Cómo fabricar ácidos nucleicos a partir de una mezcla de nucleótidos? ¿De qué manera armar proteínas uniendo aminoácidos? Nuestras proteínas están constituidas por 20 aminoácidos diferentes encadenados en forma aleatoria. Los ácidos nucleicos, ADN y ARN, se conforman a partir de cinco tipos de nucleótidos diferentes. Las macromoléculas o biomoléculas, con su alto peso molecular, ocupan un lugar insustituible en nuestra estructura ya que son los componentes elementales de cada una de las partes celulares y permiten todas las reacciones metabólicas.

Para todos los investigadores la vida depende de la capacidad de autorreplicación de algunas moléculas, transmitiendo su información a cada una de las estructuras que se originan (de célula a célula con el ADN) y la separación del medio a través de una membrana formada de lípidos, otra macromolécula, y proteínas. Pero también para que exista la vida deben existir lo procesos energéticos metabólicos que integran en si mismos a todas las macromoléculas y en especial a los glúcidos como forma primordial de energía. Actualmente la vida en la Tierra es exclusiva de la forma celular, todos los seres vivos se forman de células. Los fósiles más antiguos son celulares, y los organismos unicelulares dominaron la vida terrestre durante más de las tres cuartas partes del tiempo transcurrido desde su aparición.

Por tanto para que exista la vida como la conocemos es esencial que existan las macromoléculas. (Adaptado de “Antes de la vida: unas moléculas” Mundo Científico)

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LA UNIDAD DE LA VIDA

MOLÉCULAS ORGÁNICAS O BIOMOLÉCULAS

En los organismos se encuentran cuatro tipos diferentes de moléculas orgánicas en gran cantidad: GLÚCIDOS, LÍPIDOS, ÁCIDOS NUCLEICOS y PROTEÍNAS. Todas estas moléculas contienen carbono, hidrógeno y oxígeno. Además, las proteínas contienen nitrógeno y azufre, y los ácidos nucleicos así como algunos lípidos, contienen nitrógeno y fósforo.

Las macromoléculas son moléculas constituidas por varias moléculas que pueden ser oformacion-del-polimero-quimica no similares entre sí, llamadas polímeros y formadas por unidades más pequeñas llamadas monómeros.

En esencia, la química de los organismos vivos es la química de los compuestos que contienen carbono o sea, los compuestos orgánicos.

El carbono es singularmente adecuado para este papel central, por el hecho de que es el átomo más liviano capaz de formar múltiples enlaces covalentes, así, el carbono puede combinarse con otros átomos de carbono y con átomos distintos para formar una gran variedad de cadenas fuertes y estables y de compuestos con forma de anillo. Una característica general de todos los compuestos orgánicos es que liberan energía cuando se oxidan. Entre los tipos principales de moléculas orgánicas importantes en los sistemas vivos están los glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos.

Los glúcidos o polisacáridos son la fuente primaria de energía química para los sistemas vivos, ya que son las moléculas fundamentales de almacenamiento de energía y forman parte de diversas estructuras de las células vivas. Pueden ser moléculas pequeñas o más grandes y complejas. Hay tres tipos principales clasificados de acuerdo con el número de moléculas que contienen. Los monosacáridos como la ribosa, la glucosa y la fructosa, contienen sólo una molécula, los disacáridos consisten en dos moléculas simples unidas covalentemente. Ejemplos familiares son la sacarosa (azúcar de caña), la maltosa (azúcar de malta) y la lactosa (azúcar de la leche). Los polisacáridos como la celulosa y el almidón, contienen muchas moléculas de azúcar simples unidas entre sí.

Los lípidos son moléculas hidrofóbicas que, como los glúcidos, almacenan energía y son importantes componentes estructurales. Incluyen las grasas y los aceites, los fosfolípidos, los glucolípidos, las ceras, y el colesterol y otros esteroides.                           

Los nucleótidos son moléculas complejas formadas por un grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos y una base nitrogenada. Son los bloques estructurales de los ácidos desoxirribonucleico (ADN) y ribonucleico (ARN), los dos ácidos nucleicos conocidos, que transmiten y traducen la información genética.

Los nucleótidos también desempeñan papeles centrales en los intercambios de energía que acompañan a las reacciones químicas dentro de los sistemas vivos. El principal portador de energía en la mayoría de las reacciones químicas que ocurren dentro de las células es un nucleótido que lleva tres fosfatos, el ATP. Así como las proteínas están formadas por cadenas largas de aminoácidos, los ácidos nucleicos están formados por cadenas largas de nucleótidos. Las proteínas son moléculas muy grandes compuestas de cadenas largas de aminoácidos, llamadas cadenas polipeptídicas. A partir de veinte aminoácidos diferentes usados para hacer proteínas se puede sintetizar una inmensa variedad de tipos de moléculas proteínicas, cada una de las cuales cumple una función altamente específica en los sistemas vivos.

Los veinte aminoácidos diferentes que forman parte de las proteínas varían de acuerdo con las propiedades de sus grupos laterales (R).  Cada aminoácido contiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) unidos a un átomo de carbono central. Un átomo de hidrógeno y el grupo lateral están también unidos al mismo átomo de carbono. Esta estructura básica es idéntica en todos los aminoácidos.
Los grupos laterales pueden ser no polares (sin diferencia de carga entre distintas zonas del grupo), polares pero con cargas balanceadas de modo tal que el grupo lateral en conjunto es neutro, o cargados, negativa o positivamente.
Los grupos laterales no polares no son solubles en agua, mientras que los grupos laterales polares y cargados son solubles en agua. A partir de estos relativamente pocos aminoácidos, se puede sintetizar una inmensa variedad de tipos proteicos, cada uno de las cuales cumple una función altamente específica en los sistemas vivos.
Los aminoácidos se unen entre sí por medio de enlaces peptídicos.

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La secuencia de aminoácidos se conoce como estructura primaria de la proteína y de acuerdo con esa secuencia, la molécula puede adoptar una entre varias formas. Los puentes de hidrógeno entre los grupos C=O y N-H tienden a plegar la cadena en una estructura secundaria llamada hélice alfa u hoja plegada beta. Las interacciones entre los grupos R de los aminoácidos pueden dar como resultado un plegamiento posterior en una estructura terciaria, que a menudo es de forma globular e intrincada. Dos o más polipéptidos pueden actuar recíprocamente para formar una estructura cuaternaria.
En las proteínas fibrosas, las moléculas largas entran en interacción con otras largas cadenas de polipéptidos, similares o idénticas, para formar cables o láminas. El colágeno y la queratina son proteínas fibrosas que desempeñan diversos papeles estructurales. Las proteínas globulares también pueden cumplir propósitos estructurales. Los microtúbulos, que son componentes celulares importantes, están compuestos por unidades repetidas de proteínas globulares, asociadas helicoidalmente en un tubo hueco. Otras proteínas globulares tienen funciones de regulación, de transporte y de protección.

Dada la variedad de aminoácidos, las proteínas pueden tener un alto grado de especificidad. Un ejemplo es la hemoglobina, la molécula transportadora de oxígeno de la sangre, compuesta de cuatro cadenas polipeptídicas (dos pares de cadenas), cada una unida a un grupo que contiene hierro (hemo). La sustitución de un determinado aminoácido por otro en uno de los pares de cadenas altera la superficie de la molécula, produciendo una enfermedad grave, en ocasiones fatal, conocida como anemia falciforme.

2La hélice alfa: esta hélice mantiene su forma por la presencia de los puentes de hidrógeno, indicados por las líneas de puntos. Los grupos R, que no se muestran en este diagrama, están unidos a los carbonos indicados por las esferas violetas. Los grupos R se extienden hacia afuera desde la hélice.

3La hoja plegada beta, en la que los pliegues se forman por la existencia de puentes de hidrógeno entre distintos átomos del esqueleto del polipéptido; los grupos R, unidos a los carbonos, se extienden por encima y por debajo de los pliegues de la hoja.

En la estructura terciaria pueden observarse los plegamientos y uniones de varias estructuras secundarias, formando los llamados dominios.4

Las enzimas
Para reaccionar, las moléculas deben poseer suficiente energía, la energía de activación, para chocar con suficiente fuerza, superar su repulsión mutua y debilitar los enlaces químicos existentes.

Las enzimas actúan como catalizadores: disminuyen la energía de activación incrementando enormemente la velocidad a la que se producen las reacciones químicas en las células. Una reacción no catalizada requiere más energía de activación que una catalizada, como una reacción enzimática. La menor energía de activación en presencia del catalizador frecuentemente está dentro del intervalo de energía que poseen las moléculas, de tal modo que la reacción puede ocurrir rápidamente, sin adición o con poca adición de energía.
Las enzimas son grandes moléculas de proteínas globulares cuyo modo de plegamiento asegura que grupos particulares de aminoácidos formen un sitio activo, uniéndose a las moléculas reactivas, conocidas como sustrato, que se ajustan con precisión a este sitio activo. Posteriormente se forma el complejo enzima- sustrato permitiendo la disminución de la energía de activación y así la reacción química. Al final las moléculas se separan liberando un producto de la reacción y la enzima que no se modifica.
La velocidad de las reacciones enzimáticas también se ve influida por la temperatura y por el pH, que afectan la atracción entre los aminoácidos de la molécula proteica y también entre el sitio activo y el sustrato. Muchas enzimas por ser proteínas se desnaturalizan ante éstos cambios.

Los lípidos son un grupo general de sustancias orgánicas insolubles en solventes polares como el agua, pero que se disuelven fácilmente en solventes orgánicos no polares, tales como el cloroformo, el éter y el benceno. Típicamente, son moléculas de almacenamiento de energía, usualmente en forma de grasa o aceite, y cumplen funciones estructurales, como en el caso de los fosfolípidos, glucolípidos y ceras. Algunos lípidos, sin embargo, desempeñan papeles principales como “mensajeros” químicos, tanto dentro de las células como entre ellas.
A diferencia de muchas plantas, como la de la papa, los animales sólo tienen una capacidad limitada para almacenar glúcidos. En los vertebrados, cuando los glúcidos que se ingieren sobrepasan las posibilidades de utilización o de transformación en glucógeno (que se almacena en el hígado), se convierten en grasas. De modo inverso, cuando los requisitos energéticos del cuerpo no son satisfechos por la ingestión inmediata de comida, el glucógeno y posteriormente la grasa son degradados para llenar estos requerimientos. El hecho de que el cuerpo consuma o no sus propias moléculas de almacenamiento no guarda ninguna relación con la forma molecular en que la energía ingresa en él. La cuestión estriba simplemente en la cantidad de calorías que se libera cuando se degradan estas moléculas.
Una molécula de grasa está formada por tres ácidos grasos unidos a una molécula de glicerol (de aquí el término “triglicérido”). Las largas cadenas hidrocarbonadas que componen los ácidos grasos terminan en grupos carboxilo (-COOH), que se unen covalentemente a la molécula de glicerol. Los ácidos grasos pueden estar saturados, es decir, no presentar enlaces dobles, o pueden estar insaturados, es decir, tener átomos de carbono unidos por enlaces dobles. Las cadenas rectas de los ácidos grasos saturados permiten el empaquetamiento de las moléculas, produciendo un sólido como la manteca o el cebo. En los grasos insaturados, los dobles enlaces provocan que las cadenas se doblen; esto tiende a separar las moléculas, produciendo un líquido como el aceite de oliva o de girasol.
Algunas plantas también almacenan energía en forma de aceites, especialmente en las semillas y en los frutos. Las grasas y los aceites contienen una mayor proporción de enlaces carbono-hidrógeno ricos en energía que los carbohidratos y, en consecuencia, contienen más energía química. En promedio, las grasas producen aproximadamente 9,3 kilocalorías por gramo, en comparación con las 3,79 kilocalorías por gramo de carbohidratos, o las 3,12 kilocalorías por gramo de proteína.
Los lípidos, especialmente los fosfolípidos y los glucolípidos, desempeñan papeles estructurales extremadamente importantes. Al igual que las grasas, tanto los fosfolípidos como los glucolípidos están compuestos de cadenas de ácidos grasos unidas a un esqueleto de glicerol. En los fosfolípidos, no obstante, el tercer carbono de la molécula de glicerol no está ocupado por un ácido graso, sino por un grupo fosfato, al que está unido habitualmente otro grupo polar.

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a. Dado que los fosfolípidos tienen cabezas solubles en agua y colas insolubles en ella, tienden a formar una película delgada en una superficie acuosa, con sus colas extendidas por encima del agua.
b. Rodeados de agua, se distribuyen espontáneamente en dos capas, con sus cabezas hidrofílicas (amantes del agua) extendidas hacia afuera y sus colas hidrofóbicas (con aversión al agua) hacia adentro. Esta disposición, la bicapa lipídica, constituye la base estructural de las membranas celulares.
c. Al formar una bicapa, los componentes hidrofóbicos de los fosfolípidos quedan “protegidos” del agua, excepto en los bordes, en donde quedan expuestos. Esta ordenación da una cierta inestabilidad a esa membrana, haciendo que ésta se pliegue sobre sí misma y forme vesículas.
Esta disposición de las moléculas de fosfolípido, con sus cabezas hidrofílicas expuestas y sus colas hidrofóbicas agrupadas, forma la base estructural de las membranas celulares.
En los glucolípidos (“lípidos con glúcidos”) el tercer carbono de la molécula de glicerol no está ocupado por un grupo fosfato, sino por una cadena de carbohidratos corta. Dependiendo del glucolípido particular, esta cadena puede contener, en cualquier lugar, entre uno y quince monómeros de monosacárido. Al igual que la cabeza de fosfato de un fosfolípido, la cabeza de carbohidrato de un glucolípido es hidrofílica, y las colas de ácidos grasos son, por supuesto, hidrofóbicas. En solución acuosa, los glucolípidos se comportan del mismo modo que los fosfolípidos. También son componentes importantes de las membranas celulares en las que cumplen funciones de reconocimiento celular.
Las ceras también son una forma de lípido. Son producidas, por ejemplo, por las abejas para construir sus panales. También forman cubiertas protectoras, lubricantes e impermeabilizantes sobre la piel, el pelaje y las plumas y sobre los exoesqueletos de algunos animales. En las plantas terrestres se encuentran sobre las hojas y frutos. Las ceras protegen las superficies donde se depositan de la pérdida de agua y aíslan del frío a los tejidos internos.
El colesterol pertenece a un grupo importante de compuestos conocidos como esteroides. La testosterona, hormona sexual masculina, es sintetizada a partir del colesterol por células de los testículos.
Aunque los esteroides no se asemejan estructuralmente a los otros lípidos, se los agrupa con ellos porque son insolubles en agua
El colesterol se encuentra en las membranas celulares, excepto en las células bacterianas. Su presencia da rigidez a las membranas y evita su congelamiento a muy bajas temperaturas. También es un componente principal de la vaina de mielina, la membrana lipídica que envuelve a las fibras nerviosas de conducción rápida, acelerando el impulso nervioso. El colesterol es sintetizado en el hígado a partir de ácidos grasos saturados y también se obtiene en la dieta, principalmente en la carne, el queso y las yemas de huevo. Las altas concentraciones de colesterol en la sangre están asociadas con la aterosclerosis, enfermedad en la cual el colesterol se encuentra en depósitos grasos en el interior de los vasos sanguíneos afectados
Las hormonas sexuales y las hormonas de la corteza adrenal (la porción más externa de las glándulas suprarrenales, que se encuentran por encima de los riñones) también son esteroides. Estas hormonas se forman a partir del colesterol en los ovarios, testículos, corteza suprarrenal y otras glándulas que las producen. Las prostaglandinas representan un grupo de lípidos, derivados de los ácidos grasos, y tienen acciones hormonales.

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ACTIVIDADES:

ESQUEMA SINTESIS PREBÓTICA

1- Copiar el esquema de síntesis prebiótica en el cuaderno.

2- Copiar y completar el cuadro sobre biomoléculas.

3- Describir a los seres vivos elaborando un mapa conceptual, esquema, afiche, por ejemplo.

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