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Carlos von der Becke - Biología 50
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MODULO III UNIDAD 1 CAPITULO 3
3. ESTRUCTURAS Y FUNCIONES MOLECULARES EN CELULAS
Primera parte
La biología como ciencia es el resultado de muchas nuevas técnicas descubiertas e ingeniosamente aplicadas.
El problema más entretenido de la biología molecular es el de reconocer,
con esas técnicas, la estructura de las biomacromoléculas, la detallada
función que cumplen y, aún más, las relaciones entre estructura
y función que surgen durante el análisis. Aquí estructura se refiere
a la forma, a la distribución de los átomos en el espacio: buscamos
mirar a la biomolécula en x,y,z, las tres dimensiones del espacio
fig.biomolécula
en x,y,z y en x,y,z,t fig.los movimientos de las proteínas
Para justificar la unificación de la biología, introducimos también t, el tiempo, con lo cual la historia de la evolución biológica va señalando lo que fue pasando como historia de las biomoléculas. Quisieramos entender la estructura en x,y,z,t. O sea por qué esa biomolécula fue la elegida y no otra, por qué tiene los grupos químicos que tiene y no otros, por qué se pliega como se pliega o adquiere los puentes de hidrógeno y otras ligaduras en lugar de tener cualquier forma al azar, cambiable libremente. Las herramientas principales son los estudios de difracción de rayos X y los relacionados con resonancia magnético nuclear. Los rayos X tienen una longitud de onda muy cercana a las de las ligaduras de los átomos en las moléculas. Esas ligaduras son fisicamente ya sea campos eléctricos, ya sea electrones o partículas ondas. Si son electrones, resulta que dos ondas interfieren entre sí, como se puede ver en una bañadera con agua sujeta a golpes bruscos con una tabla hechos a la superficie inicialmente quieta. Los electrones interfieren con los rayos X y las sombras resultantes permiten saber la ubicación de los átomos en las moléculas. El hidrógeno de las moléculas biológicas queda especialmente marcado por la espectroscopía magnético-nuclear. El asunto es que sabemos cómo es hoy la estructura de las moléculas que fue seleccionando la vida durante muchos millones de años. La energértica y la reactividad son consecuencias directas de esa estructura y en su momento pudieron haber sido la causa para elegirlas por selección. En el tiempo pasado las cosas eran distintas, por ejemplo, sus carbonos asimétricos, que hoy la vida usa de determinada manera, no tienen por qué coincidir con los racematos existentes en mezclas formadas por el sol, por las descargas eléctricas y por los gases volcánicos emergiendo al comienzo de la vida.
Estas técnicas llegaron a permitir la descripción de la doble hélice
del DNA y las macromoléculas proteicas. Ambas son estructuras bien
complicadas. Como están relacionadas unas con otras de una manera
exacta y podemos ya leer e interpretar
*la secuenciación del DNA (técnica de Southern),
*la del RNA (técnica de Northern) y
*la de la proteína asociada (técnica de Western), las
especulaciones pasan a ser realidades verificables y concretas.
Está aclarado ya cómo la gigantesca enzima modifica a la pequeña molécula específica para la cual está acondicionada como cerradura y llave. Debido a la distribución de los grupos químicos cargados eléctricamente, a los campos eléctricos que provocan puentes de hidrógeno, a los movimientos térmicos en toda la estructura de la proteína, se producen activaciones sobre el sustrato en estado excitado (no en su estado base que no ofrece buenas perspectivas de cambio) que finalmente modifican la estructura de dicho sustrato y la vuelven a liberar ya modificada, para reiniciar su ciclo. La aclaración es un ejemplo de que la función de la proteína (activar a una reacción) se puede explicar a través de la complementaridad entre la enzima con movimientos térmicos y el sustrato en estado excitado.
Además de los estudios de difracción de rayos X y de RMN, existen otras técnicas de espectroscopía del ultravioleta y del infrarrojo, así como la microscopía electrónica. Ahora entendemos mucho más del mecanismo de cómo funciona una enzima que lo que cabe en un tomo entero.
Segunda parte
Un organismo es un conjunto de células, algunas fijas y otras móviles, que forman a veces comUNIDADes (si son fijas) y a veces no las forman (si son móviles, con lo cual son parte de soluciones acuosas generalmente en movimiento). Las comUNIDADes se llaman tejidos, que forman órganos, que a su vez forman sistemas de órganos. La base física de todo ser vivo es ese conjunto de todo tipo de células, que miradas individualmente al microscopio son a su vez un conjunto de organelos. "Protoplasma" es una palabra genérica y en desuso (el término moderno es citoplasma), que agrupa todo lo viviente que hay fuera de la membran nuclear y dentro de la membrana celular externa. Nos podemos preguntar cómo está constituído. En el cuadro 1 vemos la respuesta para tres tipos de célula.
COMPOSICION APROXIMADA DE ALGUNOS CITOPLASMAS
COMPONENTES (en porcientos)
CITOPLASMAS Agua Proteínas Lípidos Acidos
nucleicos Glúcidos Minerales Otros
Hongo del barro 82 7 2,5
0,5 3,5 1 4
Hígado 73 5.1 2 1,5 3
Cerebro (mat.gris) 83 8 5 0,2 3 1,5 2
AGUA
Excepto en el caso de células durmientes (esporas, granos) todo
citoplasma tiene entre 73 y 85 % de agua. Aún más en la manzana, la
sandía, el coco. Es previsible que cualquier alimento natural tenga
esa proporción. Si sabemos las propiedades del agua (por ejemplo
su capacidad calorífica), es fácil deducir aproximadamente su capacidad
calorífica real, que es posible ajustar todavía más con fórmulas empíricas. Esto
es una gran ayuda para nuestra profesión. Si supiéramos las propiedades
del agua avanzaríamos un largo paso en el conocimiento de los alimentos.
Nuestra profesión nos enseña que no debemos fijarnos demasiado en
porcientos de agua ("contenido porcentual de agua", mo ) sino
en "actividad de agua", aw o tambien Aw , concepto
fisicoquímico que mide cuánta agua le puede extraer a un alimento
el microorganismo que cae sobre él para su "sed", o por lo contrario,
cuánta agua le va a extraer el alimento al microorganismo que cayó
sobre su superficie y que, con tal motivo, empieza a secarse. Si
el alimento tiene un aw bajo o intermedio, le extrae agua
al microorganismo (caso de las semillas y nueces) mientras que si
tiene un aw alto (caso de una fruta turgente, no una fláccida)
el microorganismo le extrae agua. En los casos citados coincide aw con
mo (los dos son bajos en las semillas, nueces y frutas fláccidas
y secas y los dos son altos en las frutas turgentes) pero como se
verá en otras materias, hay ejemplos mucho más matizados. Fláccido:
perdió agua. Turgente: ganó agua. El técnico en alimentos usa el
bajo aw como técnica preservante, que ya fue utilizada por
la evolución al aparecer el invento de la semilla, cuya composición
es autopreservada frente al ataque de la mayoría de los microorganismos.
El ejemplo de las semillas ilustra que la vida necesita superar un
valor umbral alto para el agua presente para que el citoplasma muestre
vitalidad. Las células vegetales en general tienen mayor mo pero
es simplemente porque tienen en su interior grandes vacuolas gaseosas
que son más bien inclusiones y no protoplasma vivo. El agua presente
le da muchas veces la forma al tejido, que puede ser fláccido o turgente
según su contenido en agua. Cada célula estará en esas condiciones
y su membrana estará, respectivamente, floja o tirante. El agua se
junta a las macromoléculas del protoplasma y entre ambas, macromolécula
y su agua adherida, muestran su estructura final mixta.
PROTEINA Cuantitativamente las proteínas son las macromoléculas más
abundantes del citoplasma, proporción que mantienen en todos los organelos
de la célula. No debemos confundir las propiedades nutritivas de las
proteínas (propiedades que son básicas para definir qué tipo de nutrición
se está recibiendo y que se centran en determinar las proporciones
de los amino-ácidos esenciales como la lisina) con las propiedades
vitales de las proteínas celulares (donde la condición irreemplazable
es su acción catalítica y estructural y su inhibición por contacto
de células). Las proteínas, entre muchas otras contribuciones, forman
la sustancia básica de los citoplasmas.
MINERALES
Los iones de ciertos minerales son absolutamente esenciales
para la vida. Potasio, calcio, magnesio, fósforo, hierro, cobre, zinc,
manganeso y cobalto son componentes infaltables de un citoplasma.
El ión sodio, rodeado de muchas moléculas de agua, no cumple papel
importante alguno en las células vegetales, por lo cual no está en
la lista. Sin embargo es de alta significación en las de origen animal.
El ión potasio resulta ser el más móvil de todos y se lo encuentra
por todo el citoplasma. No forma complejos con otras moléculas, pero
satisface una función crítica en muchas reacciones metabólicas. El
ión fosfato también interviene en muchas reacciones y se incorpora
a biomacromoléculas tan importantes como el AMP cíclico, el ADP, el
ATP, los fosfolípidos para construir membranas, los fosfoazúcares,
el DNA y el RNA, de los cuales es el 10 % en peso. La más característica
de todas es el ATP, abreviatura del adenosintrifosfato, la moneda
de la energía. Los papeles que el hierro cumple en la respiración
y que el magnesio cumple en la fotosíntesis han sido ya muy investigados
y se tiene una idea clara de su importancia. Otros minerales se ligan
a biomoléculas importantes, como el cobalto a la cianocobalamina o
vitamina B12 .
LECTURA 48 Biología del hierro Resumen de Scrimshaw, Nevin S., Iron deficiency, Scientific American, oct 1991, vol 265, No. 4, p 24, con comentarios de David Francis Mettrick.
LECTURA 49
- Mecanismo de regulación del ciclo de crecimiento y duplicación de una célula.
Resumen basado en MURRAY , A. Y KIRSCHNER, M.-What controls the cell cycle, Scientific American, march 1991, p. 34