martes, 6 de octubre de 2009

Las moléculas en los seres vivos

Si exceptuamos los iones, los átomos no se encuentran aislados en la materia viva, sino formando parte de moléculas. Así pues, realmente, las moléculas son las piezas básicas que constituyen los organismos.

Las moléculas que componen los seres vivos tienen en ellos papeles muy diferentes, desde ser constituyentes meramente "estructurales" (son los "ladrillos" de los que están hechos las células) hasta realizar las funciones más características (y más complejas) de los seres vivos: la nutrición, la relación y la reproducción celular son explicables en términos de interacción entre moléculas.

El conocimiento que necesitamos tener sobre las moléculas biológicas incluye su composición (de qué átomos están hechas) y su estructura (la disposición de estos átomos en el espacio). Esto es particularmente importante, porque en los seres vivos los procesos en los que intervienen las moléculas necesitan que estas encajen literalmente entre sí, de forma que la estructura de cada molécula está estrechamente relacionada con la función que realiza en los organismos. Dicho de otro modo, cada molécula que forma parte de un organismo desempeña una función en él, y esta función es posible gracias a la estructura que posee esa molécula.

Algunas de las sustancias que forman parte de los organismos están presentes también en la materia inerte, por lo que se les denomina "compuestos inorgánicos", distinguiéndolas así de aquellas otras sustancias que son exclusivas de la materia viva, que reciben el nombre de "compuestos orgánicos"

Compuestos inorgánicos en los seres vivos

Los compuestos inorgánicos que se encuentran presentes en los organismos son, básicamente, el agua y los compuestos iónicos que habitualmente llamamos sales minerales.

El agua es la sustancia más abundante en los seres vivos, hasta el punto de que constituye siempre más de la mitad de su peso, aproximadamente los dos tercios en la mayor parte de los organismos. A pesar de su aparente sencillez, el agua es un compuesto muy peculiar, con unas propiedades muy poco frecuentes derivadas de su estructura. Este carácter tan especial la hace particularmente idónea para su utilización por parte de los seres vivos.

La molécula de agua, como es bien sabido, está formada por un átomo de oxígeno unido a dos átomos de hidrógeno. Debido a la estructura del átomo de oxígeno, los átomos de hidrógeno se sitúan en dos vértices de un tetraedro, quedando los otros dos vértices ocupados por dos pares electrónicos y con el oxígeno en el centro. Esto hace que el agua tenga una estructura angular (los dos enlaces forman entre sí un ángulo de 104,5º) y no lineal, como podría esperarse en un principio.

Por otra parte, el oxígeno es un elemento mucho más electronegativo que el hidrógeno, lo que significa que tiene más tendencia que éste a retener los electrones que forman el enlace. Esto supone que el enlace oxígeno-hidrógeno sea polar (lo que, simplificando mucho, significa que es intermedio entre un enlace covalente y un enlace iónico). Así que el agua tiene tanto propiedades de compuesto covalente, pero también se comporta (casi) como una sustancia iónica: por una parte, puede disociarse, es decir, en una pequeña proporción de las moléculas, el átomo de hidrógeno cede completamente su electrón al oxígeno, y la molécula se parte, formando dos iones. La proporción es realmente muy pequeña, solo una molécula de cada 1014, pero suficientemente importante para influir en muchos procesos químicos. Por otra parte, la distribución de los electrones hace que una zona de la molécula, los dos vértices del tetraedro ocupados por pares electrónicos, posean una carga negativa que no llega a ser la de un electrón, pero que se aproxima bastante (aproximadamente -0,8), mientras que la zona de la molécula donde se encuentran los átomos de hidrógeno está cargada positivamente con una carga similar. Así que el agua, una molécula neutra, se comporta como si en realidad estuviera cargada: las partes de la molécula cargadas postivamente tienden a atraer a las que están cargadas negativamente, de forma que las diferentes moléculas de agua que se encuentran en un mismo volumen tienden a formar enlaces entre ellas (enlaces intermoleculares por puente de hidrógeno) que, aunque sean menos intensas que las fuerzas que se establecen entre iones, afectan significativamente a las propiedades de esta sustancia.

Por establecer una comparación que nos ayude a entenderlo: el agua debería tener propiedades muy parecidas a las del ácido sulfhídrico; sin embargo, mientras que éste es un gas a temperatura ambiente, el agua se mantiene líquida en un rango mucho mayor de temperatura, debido a que las fuerzas entre sus moléculas las mantienen próximas entre sí aunque su energía cinética (que es lo que, en último término, mide la temperatura) sea elevada.

Los seres vivos hemos evolucionado en un ambiente acuoso, lo que significa que la vida se ha tenido que adaptar a las características peculiares de esta molécula. Sin embargo, sus particularidades la hacen tan especial que resulta difícil pensar que otros tipos de vida puedan evolucionar en medios carentes de agua. Se ha especulado acerca de la posibilidad de que evolucionen sistemas vivos en ambientes basados en metano líquido, como el que existe en algunos planetas gigantes o en algunas de sus lunas, pero hoy por hoy no deja de ser una elucubración: hasta donde sabemos, ningún ambiente sin agua sería capaz de permitir un entorno químico tan complejo y versátil como el nuestro, y éste parece ser un requisito imprescindible para el desarrollo de la vida.

El agua tiene muchas propiedades anómalas (en el sentido de que son diferentes a lo que cabría esperar si no existieran enlaces por puentes de hidrógeno entre sus moléculas), y todas ellas tienen importantes repercusiones para los seres vivos. Algunas de las más interesantes son las siguientes:

  • Posee una alta cohesión entre sus moléculas, lo que hace que sus puntos de fusión y de ebullición sean muy altos. Esta característica mantiene líquida al agua en el intervalo de temperaturas que se da en nuestro planeta, haciendo posible la vida en él.
  • Posee una gran capacidad calorífica y una gran conductividad térmica. Gracias a esto, los seres vivos pueden utilizarla como regulador térmico, reduciendo la variación de temperatura en su interior a pesar de que cambie la temperatura externa. También esta propiedad hace que el agua actúe como regulador térmico en los ecosistemas: las zonas costeras tienen menor amplitud térmica que las de interior, y los océanos distribuyen calor por medio de las corrientes oceánicas.
  • Su calor latente de vaporización es muy elevado, lo que hace que los organismos sean muy resistentes a la deshidratación, además de facilitar la pérdida de calor por evaporación, mediante la sudoración.
  • Polaridad elevada y tamaño pequeño, propiedades que combinadas la hacen un excelente disolvente de sustancias iónicas o polares.
  • Gran capacidad de hidratación, es decir, de rodear a otras moléculas aoroximándose mucho a sus átomos. Las grandes moléculas biológicas están hidratadas en la célula, lo que determina su estructura espacial y permite que desarrollen su función. Por otra parte, la hidratación o deshidratación de otras moléculas en el interior de la célula hace que algunas regiones del citoplasma puedan pasar de fase "sol" (de consistencia y viscosidad parecidas a las del jabón líquido) a fase "gel" (de propiedades parecidas a la gelatina) y viceversa, de forma que se facilitan o dificultan los movimientos en su interior.
  • Es una sustancia ionizable, lo que significa que una cierta proporción de moléculas de agua se descomponen en iones (OH- y H+, que se hidrata para formar H3O+), permitiendo que se produzcan una gran variedad de interacciones entre iones.
  • Tensión superficial (resistencia a que su superficie se rompa), cohesión (fuerza de atracción entre sus moléculas) y adhesión (tendencia a unirse a otras superficies) elevadas. En conjunto estas propiedades son responsables de ciertas características importantes del medio acuoso: permiten la flotabilidad o el ascenso de la savia...
  • Variación anómala de la densidad: en general, la densidad de cualquier líquido aumenta a medida que disminuye la temperatura, alcanzando su valor máximo justo antes de su punto de fusión. En el caso del agua la máxima densidad se alcanza a 4ºC, lejos del punto de fusión. Esto hace que el hielo flote sobre el agua fría, impidiendo el enfriamiento de la masa de agua subyacente (lo que a su vez permite la vida bajo el hielo) y haciendo más fácil que el hielo se derrita. También permite la mezcla de aguas de diferentes temperaturas, facilitando el intercambio de nutrientes entre ellas.
Gracias a estas propiedades (y a otras muchas, que hacen del agua una sustancia muy peculiar), el agua desempeña una gran variedad de funciones en los seres vivos. Entre las más importantes se pueden citar las siguientes:
  • Es un disolvente excelente de todas las sustancias iónicas y polares que componen los seres vivos, mientras que las sustancias apolares (hidrófobas) forman en ella dispersiones coloidales.
  • Reactivo: la gran versatilidad química del agua hace que pueda actuar, según los casos, como ácido o como base, como oxidante o como reductor. Dado que la mayoría de las reacciones químicas que ocurren en los seres vivos son de estos dos tipos (ácido-base, oxidación-reducción), el agua puede participar en todas ellas, facilitándolas.
  • Función estructural: gracias a su cohesión y a su tensión superficial, el agua proporciona una considerable resistencia mecánica a los cuerpos que rellena. Gracias a esto, mantiene la forma y el volumen de las estructuras biológicas. Su carácter fluido a temperatura ambiente, además, hace posible que estas características puedan cambiar.
  • Función mecánica y amortiguadora: actúa como lubricante, facilitando el movimiento de los órganos ricos en ella.
  • Termorreguladora: su elevada "inercia térmica), es decir, la dificultad para cambiar su temperatura o su estado físico, impide los cambios bruscos de temperatura en el interior de los organismos, al tiempo que facilita su refrigeración mediante su evaporación. También permite que el calor se distribuya de unos puntos a otros del organismo. Estas propiedades son la base de la homeotermia, es decir, de la capacidad de ciertos organismos para mantener constante su temperatura frente a variaciones en el medio.
  • Función transportadora: el agua permite la difusión y el intercambio de gases, la circulación de sustancias disueltas y la excreción de compuestos tóxicos.