Composición química de una célula
Un tejido vivo y un puñado de tierra tienen los mismos tipos de elementos (carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno…), pero el tejido vivo tiene mucho más carbono e hidrógeno. Para encontrar los compuestos del carbono hacemos un análisis sencillo:
- Tritura el tejido vivo con ácido tricloroacético (Cl₃CCOOH) hasta obtener una papilla.
- Cuélala con una tela o algodón.
- El líquido que pasa = fracción soluble en ácido (filtrado): moléculas pequeñas como aminoácidos, azúcares y nucleótidos.
- Lo que se queda atrás = fracción insoluble en ácido (retenido): proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y lípidos.
Si quemamos el tejido (calcinación), desaparecen todos los compuestos del carbono; las cenizas contienen elementos inorgánicos (Ca, Mg) y compuestos como sulfatos y fosfatos.
Las micromoléculas tienen una masa molecular de 18–800 Da y están en la fracción soluble. Las macromoléculas (biomacromoléculas) superan los 10 000 Da: proteínas, ácidos nucleicos y polisacáridos. Los lípidos pesan menos de 800 Da, pero aparecen en la fracción insoluble porque, al triturar, las membranas rotas forman vesículas insolubles.
Célula típica según su peso: agua 70–90 %, proteínas 10–15 %, ácidos nucleicos 5–7 %, carbohidratos 3 %, lípidos 2 %, iones 1 %.
Proteínas: cadenas de aminoácidos
Un aminoácido tiene un carbono central (carbono α) con cuatro grupos: hidrógeno, un grupo amino (–NH₂), un grupo carboxilo (–COOH) y un grupo R variable. El grupo R decide qué aminoácido es: R = H es glicina, R = CH₃ es alanina, R = CH₂OH es serina. Según sus grupos amino y carboxilo pueden ser ácidos (ácido glutámico), básicos (lisina) o neutros (valina); algunos son aromáticos (tirosina, fenilalanina, triptófano). En disolución, a cierto pH el aminoácido tiene cargas + y – a la vez: es un zwitterión.
Los aminoácidos se unen mediante enlaces peptídicos (–CO–NH–), soltando agua, y forman polipéptidos. Una proteína es un heteropolímero de hasta 20 tipos de aminoácidos. Los aminoácidos esenciales deben venir de la comida; los no esenciales los fabrica el cuerpo.
Cuatro niveles de estructura
- Primaria: el orden de los aminoácidos, desde el extremo N-terminal (el primero) hasta el C-terminal (el último).
- Secundaria: partes de la cadena se enrollan en una hélice dextrógira (o forman láminas).
- Terciaria: la cadena se pliega sobre sí misma como un ovillo de lana: la forma 3D necesaria para trabajar.
- Cuaternaria: dos o más cadenas encajan entre sí. La hemoglobina humana = 2 subunidades α + 2 β.
Funciones: colágeno (la proteína más abundante en los animales) y RuBisCO (la proteína más abundante de la biosfera); tripsina (enzima), insulina (hormona), anticuerpos (defensa), GLUT-4 (lleva glucosa al interior de las células), receptores (detectan olores, sabores y hormonas).
Carbohidratos (polisacáridos)
Los azúcares están hechos de C, H y O. La glucosa y la ribosa son monosacáridos. Dos de ellos se unen por un enlace glucosídico y forman un disacárido (sacarosa, lactosa, maltosa). Las cadenas largas son polisacáridos, que están en la fracción insoluble en ácido.
- Almidón – reserva de alimento de las plantas; sus espirales (hélices) atrapan yodo y dan color azul.
- Celulosa – homopolímero de glucosa en las paredes celulares de las plantas (algodón, papel); no tiene hélices, así que no se pone azul con yodo.
- Glucógeno – reserva de alimento de los animales, muy ramificado.
- Inulina – un polímero de fructosa.
- Quitina – polisacárido complejo de aminoazúcares (como la glucosamina) en el exoesqueleto de los insectos y en las paredes de los hongos.
En una cadena de polisacárido, el extremo derecho es el extremo reductor y el izquierdo es el extremo no reductor.
Lípidos
Los lípidos no se disuelven en agua. Un ácido graso es un grupo carboxilo unido a una cadena de carbonos (grupo R); el ácido palmítico tiene 16 carbonos contando el del carboxilo, y el araquidónico, 20. Si no tiene dobles enlaces es saturado; si tiene uno o más, es insaturado. El glicerol (trihidroxipropano) puede llevar hasta tres ácidos grasos: mono-, di- y triglicéridos (grasas y aceites; los aceites se funden a menor temperatura, por ejemplo el aceite de sésamo). Los fosfolípidos, como la lecitina, tienen un grupo fosfato y forman las membranas celulares. El tejido nervioso tiene lípidos más complejos. Los lípidos no son estrictamente macromoléculas ni polímeros.
Ácidos nucleicos
Un nucleótido tiene tres partes: una base nitrogenada, un azúcar de cinco carbonos (pentosa) y un fosfato. Solo base + azúcar = nucleósido (adenosina, guanosina, timidina, uridina, citidina).
- Purinas (dos anillos): adenina, guanina. Pirimidinas (un anillo): citosina, timina, uracilo.
- ADN: azúcar desoxirribosa, bases A, G, C, T; doble hélice: A se empareja con T por 2 puentes de hidrógeno, y G con C por 3.
- ARN: azúcar ribosa, bases A, G, C, U; normalmente de una sola cadena.
En un ácido nucleico, el fosfato une el carbono 3′ de un azúcar con el carbono 5′ del siguiente: es un enlace fosfodiéster. En el modelo de Watson y Crick (ADN-B): las dos cadenas son antiparalelas, una vuelta completa tiene 10 pares de bases, el avance por par de bases es de 0,34 nm y una vuelta mide 3,4 nm.
Enzimas: tipos, propiedades y acción
Las enzimas son catalizadores biológicos: casi todas son proteínas; unos pocos ácidos nucleicos también actúan como enzimas y se llaman ribozimas. Aceleran las reacciones y salen sin cambios.
Cómo actúan
Cada enzima tiene un sitio activo, un hueco donde encaja el sustrato. E + S → ES (complejo enzima–sustrato) → EP → E + P. Toda reacción necesita energía para empezar: la energía de activación. La enzima la baja, y por eso la reacción va mucho más rápido. Ejemplo: la anhidrasa carbónica hace CO₂ + H₂O → H₂CO₃ unos 10 millones de veces más rápido (unas 600 000 moléculas por segundo en vez de unas 200 por hora).
Factores que afectan la actividad enzimática
- Temperatura y pH: cada enzima tiene un valor óptimo. Con temperatura baja queda inactiva por un tiempo; con temperatura alta se desnaturaliza (se destruye su forma).
- Concentración de sustrato: la velocidad sube y luego se estabiliza en Vmax cuando todos los sitios activos están ocupados. Km = concentración de sustrato a la mitad de Vmax.
- Inhibidores: un inhibidor competitivo se parece al sustrato y bloquea el sitio activo; por ejemplo, el malonato bloquea la succinato deshidrogenasa. Estos inhibidores se usan para controlar bacterias.
Seis clases
- Oxidorreductasas/deshidrogenasas – mueven H o electrones entre dos sustratos.
- Transferasas – mueven un grupo (que no sea H) entre sustratos.
- Hidrolasas – rompen enlaces éster, éter, peptídicos, glucosídicos, C–C o P–N usando agua.
- Liasas – quitan grupos sin usar agua y dejan dobles enlaces.
- Isomerasas – cambian un isómero por otro.
- Ligasas – unen dos compuestos (por ejemplo, enlaces C–O, C–S, C–N, P–O).
Cofactores
La parte proteica es la apoenzima. Muchas necesitan un ayudante que no es proteína: un grupo prostético (muy unido, por ejemplo el grupo hemo en la peroxidasa y la catalasa), una coenzima (unida con menos fuerza, a menudo hecha de vitaminas; por ejemplo, NAD y NADP contienen niacina) o un ion metálico (por ejemplo, el zinc en la carboxipeptidasa). Si quitas el cofactor, la enzima deja de funcionar.
Pruébalo: mira una enzima en acción
Mastica un trocito de pan sin sabor o de arroz hervido durante dos minutos sin tragarlo: empieza a saber dulce, porque la amilasa de la saliva rompe el almidón en azúcar. Ahora prueba el efecto del calor: pon una gota de yodo sobre una rodaja de patata cruda (azul-negro = almidón). Después corta una patata cruda y una patata hervida y añade a cada una una gota de agua oxigenada (de la farmacia): la cruda burbujea porque su enzima catalasa funciona; la hervida casi no burbujea porque el calor desnaturalizó la enzima. Relaciónalo con el paso 6 del 3D.
Fórmulas y definiciones clave
- Fracción soluble en ácido: micromoléculas (18–800 Da); fracción insoluble en ácido: proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos (> 10 000 Da) + lípidos
- Aminoácido: carbono α + H + –NH₂ + –COOH + grupo R
- Enlace peptídico: –CO–NH–; enlace glucosídico (azúcares); enlace éster (grasas); enlace fosfodiéster (ácidos nucleicos)
- Estructura de la proteína: primaria → secundaria → terciaria → cuaternaria
- Nucleótido = base + pentosa + fosfato; nucleósido = base + azúcar
- E + S ⇌ ES → EP → E + P
- Clases de enzimas: oxidorreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas, ligasas
- Holoenzima = apoenzima + cofactor (grupo prostético / coenzima / ion metálico)
Ejemplos resueltos
1. Se tritura tejido de hígado en ácido tricloroacético y se filtra. ¿En qué fracción encontrarás (a) glucosa, (b) ADN, (c) fosfolípidos?
(a) La glucosa es pequeña → filtrado (fracción soluble en ácido). (b) El ADN es una macromolécula → retenido (insoluble en ácido). (c) Los fosfolípidos son pequeños, pero las membranas rotas forman vesículas, así que también quedan en la fracción insoluble en ácido.
2. Un fragmento de ADN tiene 20 pares de bases. ¿Cuántas vueltas completas da la doble hélice y cuánto mide?
Una vuelta = 10 pb, así que 20 ÷ 10 = 2 vueltas. Longitud = 20 × 0.34 nm = 6.8 nm.
3. Una molécula de ADN tiene un 30 % de adenina. Calcula el porcentaje de guanina.
A = T, así que T = 30 %. A + T = 60 %, luego G + C = 40 %. G = C, así que G = 20 %.
4. Nombra el nivel de estructura de la proteína: (a) el orden de los aminoácidos, (b) las 4 cadenas de la hemoglobina, (c) la hélice.
(a) Primaria, (b) cuaternaria, (c) secundaria.
5. Una enzima une dos trozos de ADN formando un enlace P–O. ¿A qué clase pertenece?
Une dos moléculas con un enlace nuevo → ligasa (ADN ligasa).
6. Una enzima tiene Vmax = 100 unidades. ¿Cuál es la velocidad cuando la concentración de sustrato es igual a Km?
Km es la concentración de sustrato a la que la velocidad es la mitad de Vmax: 100 ÷ 2 = 50 unidades.
Errores comunes
- Llamar macromoléculas a los lípidos. Pesan menos de 800 Da; están en la fracción insoluble en ácido solo porque las membranas forman vesículas.
- Pensar que el frío desnaturaliza las enzimas. El frío solo las deja inactivas por un tiempo; el calor fuerte destruye la forma.
- Confundir nucleósido y nucleótido: el nucleósido no tiene fosfato; nucleótido = nucleósido + fosfato.
- Decir que la celulosa se pone azul con yodo. Solo lo hace el almidón, porque sus hélices atrapan el yodo; la celulosa no tiene hélices.