De qué están hechos los seres vivos?

Tal vez la primera pregunta que surgio en la mente de los inquietos filósofos griegos fue: ¿De qué están hechas las cosas?

Esta pregunta es de hecho tan natural e instintiva y sin embargo parece ser una inquietud puramente humana. Incluso los niños a partir de una temprana edad comienzan a desarmar, morder y romper todo lo que compone su mundo en búsqueda de las piezas fundamentales que componen el todo. Supongo que es otro ejemplo del eterno intento humano de simplificar las leyes que rigen el universo. El concepto de átomos surge precisamente desde la antigua Grecia (aunque existían algunos antecedentes orientales en la India y China), a través del cual Demócrito indicaba que toda la materia estaba compuesta de pequeñas partes mínimas e indivisibles. Surge como concepto abstracto, pero a lo largo del siglo XVIII y XIX, el concepto irá tomando forma (con la teoría atómica de Dalton) hasta culminar con el desarrollo del modelo atómico de Rutherford, mejorado posteriormente por Bohr y Schrödinger en el siglo XX.

Sin embargo, si bien toda la materia parecía estar construida de átomos, ¿acaso los hombres, dotados de alma-espíritu-mente, estaban hechos acaso de los mismos átomos que formaban parte del resto del universo? El problema fue un debate tan duro que tomó hasta el siglo XX para que las religiones más importantes del mundo reconocieran que no existía ningun don material divino formando parte de los hombres (y aún así inicialmente solo se admitió para las mujeres y negros dentro de la religión Católica y solo más tarde incluyeron a los hombres de piel blanca). Solo para ponerlos en tema... para la época ya se conocían incluso los tipos de moléculas que formaban parte de todos los animales, plantas y bacterias, incluídas también las de los hombres (y eran todas iguales), las llamadas moléculas orgánicas.

Entonces, para resumir... los hombres también estamos hechos de átomos, no tenemos ningún tipo de átomo o estructura subatómica que nos de cualidades especiales y fisiológicamente lo único que parece diferenciarnos de los demás seres vivos son nuestros inmensos cerebros y nuestras capacidades cognitivas y racionales tan extremas (por lo menos desde el punto científico). Es decir, llegado el siglo XX parece que lo único que le pertenece a Dios de nuestras existencias no es más que el alma... ¿o tampoco? El amplio desarrollo de la neurociencia, de la mano de la psicología terminarían por poner esto último también en duda (al menos para la mayor parte de la sociedad y definitivamente para la comunidad científica).

Hoy en día el tema está prácticamente zanjado, por lo menos para el mundo de la ciencia y curiosamente también en gran medida para la Religión Católica y la mayor parte de Cultos Orientales (quienes felizmente parecen hayar una coincidencia epistemológica teológica en el hecho de que toda la naturaleza y los propios hombres estemos hechos del mismo tipo de materia). Lamentablemente para muchos cultos en Medio Oriente (donde hay más sectas que dogmas consistentes) el tema no parece convencer a los líderes religiosos (portadores de la sabiduría y el conocimiento bíblico/coránico/you-name-it a través de los siglos de estudios de Leyes Religiosas).

Pero bueno... nos hemos desviado mucho... lo cierto es que la historia de la materia orgánica es mucho más divertida en sí misma que lo que compone realmente nuestros cuerpos... que de hecho puede resumirse en unos pocos párrafos....

Los fundamentales constituyentes de la vida, además del agua en sí misma, son 4 tipos de moléculas (aunque muchas con derivados que poco se parecen a los modelos)... De estos cuatro tipos, tres aparecen de forma muy frecuente en forma de polímeros y el último es mucho más constante y nunca aparece como polímero.

- Azúcares: son moléculas orgánicas relativamente pequeñas, formadas fundamentalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno (ocasionalmente también nitrógeno o azufre), y que son mucho más abundantes en las estructuras vivas de hongos, plantas y bacterias que en los animales (aunque ojo, nosotros también tenemos bastantes). Por ejemplo, la mayor parte del peso seco de una planta, un hongo o una bacteria, son azúcares... Mientras tanto, la mayor parte del peso seco de un animal es proteína. Forman frecuentemente polímeros en los que un azúcar se enlaza a través de un oxígeno con otro, hasta formar cadenas más o menos largas de azúcares (se denominan polisacáridos). La celulosa es el más abundante de estos polímeros, se encuentra formando los esqueletos de todas las plantas y es posiblemente la macromolécula más abundante de toda la Tierra.

- Proteínas: son las principales responsables de acelerar las reacciones químicas dentro de los seres vivos a tiempos que hagan permitible la vida tal y como la conocemos. Son de naturaleza polimérica y sus monómeros son unas moléculas relativamente pequeñas llamadas aminoácidos. Estos aminoácidos están formados por dos carbonos, un nitrógeno, un oxígeno y finalmente una cadena lateral que es una molécula sustituyente (hay 20 posibles). Así, existen 20 diferentes aminoácidos (algunos muy complicados) y estos se encadenan uno tras otro, enlazados de forma covalente por enlaces peptídicos, formando proteínas (a.k.a. polipéptidos). Siempre que estén en el agua, las propiedades electroquímicas y termodinámicas de los aminoácidos hacen que la proteína se pliegue, escondiendo regiones hidrofóbicas de la macromolécula para alejarla del agua y exponiendo regiones afines con el agua para estabilizarse en solución. Este plegamiento sucede según un código determinado por la ordenación y número de aminoácidos que hay en la proteína, de modo que siempre una misma proteína se plegará de un mismo modo (aproximadamente). La forma en que queda plegada una proteína determina la actividad que tendrá y para lo que servirá. Así, las proteínas pueden ser estructurales, catalizadores de reacciones químicas, etc., pero siempre a través de su estructura tridimensional se unirán a algo para ejercer su función (se unen a cosas muy raras a veces... como polímeros plásticos!). De hecho, esta capacidad para hacer catálisis unimolecular a escala atómica hace que sean una de las propuestas promesa de la nanobiotecnología.

Para resumiros ya algo de estructura molecular de proteínas (como se ve en esta imagen), las proteínas tienen 4 posibles niveles arquitectónicos de estructura macromolecular). El primero es el más sencillo, las uniones covalentes. El segundo es algo más complejo, y uno de los más interesantes. Las proteínas no se pliegan al azar en el agua, sino que cuando lo hacen, surgen elementos comunes, patrones arquitectónicos secundarios, si unimos el "backbone" de todos los aminoácidos. Estos patrones son en forma de láminas beta o hélices alfa y hoy en día se sabe que surgen fundamentalmente porque consiguen estabilizar aún más la termodinámica de las proteínas. La estructura ternaria o terciaria es lo que llamamos normalmente módulos y dominios. Es decir, elementos de estructura secundaria unidos entre sí por elementos asimétricos (bucles aleatorios o no aleatorios) y plegados entre sí, de forma aproximadamente globular (en la mayor parte de casos). La mayor parte de proteínas está formada por combinación de diferentes dominios y módulos. Unas pocas proteínas poseen además un nivel cuaternario de estructura, dado que se logran unir diversos polipéptidos en una estructura supramolecular bastante gorda, y cada uno de estas proteínas tiene de por sí dominios y módulos con funciones, pero el complejo macromolecular adquiere funciones adicionales cuando están todas presentes y unidas correctamente. El ejemplo que se da en la imagen es el de la proteína hemoglobina de la sangre, formada por cuatro proteínas tipo globina y cuatro grupos prostéticos (unas moléculas orgánicas bastante tochas, pero no pertenecientes a la proteína en sí).

- Lípidos: son moléculas orgánicas con grandes regiones altamente hidrofóbicas (poco afines por el agua, incapaces de formar enlaces de puente de hidrógeno o interacciones dipolares), formadas fundamentalmente por carbonos e hidrógenos. Los más frecuentes en los animales, plantas y bacterias se denominan fosfolípidos y tienen una estructura química anfipática, es decir, con una parte apolar hidrofóbica y una parte polar hidrofílica, que les permite formar dobles membranas. La posibilidad de formar membranas ha constituido un cambio total en la historia de la vida en el planeta Tierra, desde que surgiera tal y como la conocemos, hace miles de millones de años. Esto ha permitido que las reacciones bioquímicas ahora pasaran a poder encapsularse en compartimentos aislados del entorno mediante dobles membranas formadas por lípidos anfipáticos. Todos los seres vivos que existen hoy en día están formados por células que podrían simplificarse como globos de membranas lipídicas que encierran a los otros tipos de macromoléculas dentro (lo cual es de hecho como todo comenzó seguramente).

- Ácidos nucleicos: el último tipo de molécula es la estrella de la ciencia de mitad del siglo XX en adelante. Los acidos nucleicos se denominan así porque son macromoléculas de carácter químico ácido (que depende de los numerosos grupos fosfato que forman su esqueleto) que se encontraban en unas estructuras denominadas núcleos, presentes en todas las células de los seres "superiores" (hongos, plantas y animales) y que eran responsables de la herencia. Dentro de los núcleos, se hallan fundamentalmente proteínas y ácidos nucleicos. De hecho, hasta bien entrado el siglo XX, la gran discusión en la ciencia biológica era saber qué molécula era la portadora de los caracteres mendelianos. Finalmente, como todos saben, los ácidos nucleicos demostraron ser dichos responsables, a través de los experimentos de Avery, MacLeod y McCarty en los años 40. Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos, unos azúcares sustituidos por un grupo denominado "base nitrogenada" y ligado a un grupo fosfato a través del carbono en posición 3 del azúcar. Existen muchos tipos de bases nitrogenadas (la parte variable de los nucleótidos) que son las que determinan el nucleótido (dado que el grupo fosfato y el azúcar son relativamente invariables). Las bases más frecuentes en el DNA y RNA (los dos tipos de ácidos nucleicos) son la Adenina, la Timina, la Guanina, la Citosina y el Uracilo.

Los nombres de los nucleótidos monofosfatados (con 1 único fosfato) son Adenilato, Timidilato, Guanilato, Citidilato y Uridilato. Un nombre alternativo y más frecuente es Adenosin Mono/Di/Tri Fosfato, Guanosin Mono/Di/Tri Fosfato, Uridin..., Timidin..., Citidin... etc. Muchos nucleótidos tienen uno de los carbonos sin oxígeno (reducido) en posición 2 del azúcar y se denominan por eso desoxirribonucleótidos. El DNA está enteramente formado por desoxirribonucleótidos y de ahí su nombre de ácido desoxirribonucleico. El RNA es el normal y por tanto se denomina ácido ribonucleico. Lo de "ribo" proviene del nombre que tiene el azúcar eje de cada nucleótido, denominado ribosa.

Pensaba incluir aquí una breve descripción de la estructura del DNA... el ácido nucleico estrella....pero voy a dejar que Watson y Crick lo hagan por mí. Una delicatessen... el manuscrito original escrito a máquina que finalmente se publicaría en 1953 en Nature (UK)... (solo la primera página... podeis encontrar el artículo completo en Npg.com)

Aunque la estructura típica que se dibuja de cualquier ácido nucleico es la de la doble cadena de DNA de Watson y Crick (el llamado DNA tipo B, hidratado y estabilizado con Mg, como se supone que existe el DNA nuclear in vivo), no es la única estructura que puede adoptar. De hecho, que se sepa... solamente el DNA (de todas las diversas biomoléculas compuestas por nucleótidos) adopta esa exacta conformación. Sin embargo, sí es cierto que prácticamente todos los ácidos nucleicos tienen la capacidad de formar (por lo menos en algunos segmentos de su entera longitud) dobles cadenas similares a la de Watson y Crick. También cabe comentar que
el modelo de Watson y Crick es un modelo simplista y rígido, creado cuando recién se elucidaba la estructura tridimensional del DNA. Hoy en día el modelo está sujeto a numerosas actualizaciones y se sabe que como macromolécula el DNA es bastante flexible, siendo capaz de abrirse, enrollarse, etc. como si fuera una fibra cristalina (similar a una cuerda doble enrollada).

Con todo esto parece que los animales son ya bastante complejos, no? Sin embargo, no solo el agua y las moléculas orgánicas son necesarias para la vida. También encontramos, aunque en menor proporción, dependiendo del organismo, moléculas y átomos inorgánicos como iones metálicos, elementos no-metálicos traza, etc. En la mayor parte de los organismos, dichos elementos tienen funciones generalmente relacionadas con la catálisis de reacciones químicas. Pero no solamente, muchos tienen que ver directamente con funciones fisiológicas (como la transmisión del impulso eléctrico entre neuronas), con funciones estructurales (estabilización de macromoléculas orgánicas aportando cargas positivas o negativas), etc. Son tan importantes o incluso más importantes que algunas macromoléculas biológicas, pero no son exclusivos de los seres vivos (estos los incorporan del medio inorgánico exterior).

Hasta aquí por ahora... el cómo estas moléculas interaccionan para dar lugar a la vida lo veremos en la próxima entrada... hasta entonces!