Resumen
La estuctura del átomo de carbono permite formar las moléculas de la vida: ADN, proteinas, lípidos y carbohidratos
Las moléculas de la vida no pueden ejercer su función si no adquieren cierta estructura ó conformación extremadamente específica (ej. la estructura de escalera de caracol del ADN).
Muchos factores influyen en la conformación de estas moléculas, que la vida es, sin duda, un milagro.
El carbono: un elemento único
A diferencia de otros elementos, el átomo de carbono tiene una forma única que permite “armar” millones y millones de moléculas diferentes.
Además de la forma, la electronegatividad del átomo de carbono (capacidad para retener electrones) le permite establecer enlaces covalentes con otros átomos, enlaces más fuertes y estables.
Puede establecer tres tipos de enlace: simple, doble y triple, dándole rigidez ó flexibilidad a la molécula, generando estructuras planas, cadenas, redes, anillos, etc.
La electronegatividad es la capacidad de un átomo para retener sus electrones. Cuando el carbono se enlaza a otros átomos comparte sus electrones, el átomo con mayor electronegatividad “jala” los electrones hacia su núcleo (pero no se los “queda”). Este juego eléctrico permite generar moléculas con partes cargadas negativamente (con más electrones) y partes positivas (con menos electrones), a este tipo de carga le llaman “carga parcial”.
La carga parcial permite enlazar por “electrostática” átomos de la misma molécula ó de diferente molécula. Así como podemos “pegar” por electrostática un globo a nuestro cabello. Este tipo de enlaces se les llaman secundarios, son débiles pero sumamente importantes.
Las infinitas posibilidades de armar estructuras y replegarlas por enlaces secundarios, permite generar gigantescas máquinas moleculares (macromoléculas): proteínas, ADN, lípidos (grasas) y carbohidratos.
El papel del agua líquida
El agua es un compuesto estable térmica y químicamente que disuelve total ó parcialmente una gran cantidad de sustancias. Incluyendo las proteínas, ADN, lípidos y carbohidratos, las cuáles tienen partes solubles (como el azúcar) e insolubles (como el aceite).
Las características de las macromoléculas de poseer partes solubles y partes insolubles, hace que se replieguen en presencia del agua, generando estructuras en forma de tubo, globo, etc., de manera que las partes solubles quedan en la superficie y las partes insolubles en el centro. Este “juego” es crucial para que la vida sea posible, solo si la macromolécula se repliega de cierta forma (solo si tiene cierta conformación) puede ejercer sus funciones biológicas.
Además el agua provee un medio para que las macromoléculas y las moléculas pequeñas se muevan, se “encuentren”, choquen, se enlacen, se rompan, se “peguen”, etc.
La temperatura
Solo si la macromolécula tiene cierta conformación puede ejercer sus funciones biológicas. La temperatura agita los átomos, los enlaces y la molécula entera, cambiando su forma y destruyendo su función biológica. La vida compleja (como los seres humanos) requiere de temperaturas ambiente.
Sin embargo, la vida pudo evolucionar para evitar que la conformación de las macromoléculas cambie. Así conocemos microorganismos que sobreviven a temperaturas arriba de los 100 ºC. La vida logró esto sustituyendo enlaces secundarios débiles por enlaces covalentes fuertes utilizando átomos de azufre.
La vida requiere del agua líquida, la cuál puede existir a temperaturas entre los 0 ºC y 370 ºC. A presión atmosférica terrestre existe entre los 0 y 100 ºC. El agua posee una capacidad calorífica grande que le permite absorber mayor cantidad de energía sin aumentar su temperatura.
Las sales
Las sales son compuestos que al disolverse en agua se separan completamente ó parcialmente en sus átomos componentes: átomos cargados positivamente y átomos cargados negativamente. Esto genera otro “juego de cargas”, las macromoléculas atraen a estas sales y establecen enlaces secundarios con ellas, cambiando (de nuevo) su conformación.
Las enzimas: ejemplo de la importancia de la conformación
Las enzimas son un tipo de proteínas, son máquinas moleculares que pueden armar (sintetizar) ó desarmar (desdoblar) macromoléculas.
Las enzimas se repliegan y adquieren cierta conformación que genera uno o más sitios específicos en la superficie de la macromolécula. A estos sitios se les conoce como “sitios activos”.
Un sitio activo es una especie de hueco ó molde con cierta forma, tal que dentro del él “encaje” la molécula ó parte de la macromolécula que se va a enlazar ó romper. En realidad el sitio activo tiene la forma exacta para que encaje el intermediario entre la molécula original y el producto. A este tipo de reacción se le llama catálisis enzimática.
El sitio activo también posee átomos ó grupos de átomos para “enganchar y retener” a las moléculas reaccionantes. El sitio activo puede reaccionar químicamente pero al final vuelve a su estado original.
Muchos medicamentos y venenos se basan en bloquear el (o los) sitio activo. La sustancia posee una estructura parecida al intermediario de la reacción enzimática, se “engancha” al sitio activo, pero, como no se transforma en un producto, no se libera, se queda “pegado” y la enzima queda inutilizable. Los microorganismos se adaptan generando más sitios activos, más enzimas ó cambiando completamente la secuencia que siguen para sintetizar el producto.
Sin la catálisis enzimática la vida sería imposible, ya que la probabilidad de que moléculas ó macromoléculas se alinien al azar y reaccionen para dar productos extremadamente específicos es casi nula.
La vida como la conocemos es sumamente rara e inestable, es un verdadero milagro.