Bases Químicas de la vida. Artículos y conceptos sobre biología.

La Química de la vida

Solo se conoce, de momento, un único lugar en todo el universo donde se haya desarrollado la vida, es el planeta Tierra, lo que no implica que no se haya podido desarrollar en algunos otros lugares.

Todos los seres vivos conocidos comparten una serie de características comunes, entre las que destacan la manera de organizar la información genética, en el ADN o ácido desoxirribonucleico, y la manera de descodificarlo mediante el código genético, entre muchas otras.

Los análisis filogenéticos han demostrado que todas las especies actuales, así como las ya extinguidas, provienen de un ser vivo primigenio ancestral, un antepasado común a partir del cual, por evolución, un proceso que implica mecanismos de cambio genético azaroso y preadaptativo y selección natural, se han ido formando todas las especies que se conocen.

El planeta Tierra antes del surgimiento de la vida

La cuestión del origen de la vida es compleja, dada la dificultad de conocer cómo era exactamente la Tierra primitiva y su atmósfera. De lo que no cabe ninguna duda es que, antes de la formación de los primeros seres vivos, hubo un período de evolución química durante el que se formaron, por síntesis química espontánea, las principales biomoléculas elementales que forman los seres vivos, a saber, glúcidos, lípidos, aminoácidos y nucleótidos.

Es posible que también intervinieron materiales llegados del espacio en meteoritos y cometas, los cuales a su vez se habían formado también por síntesis química espontánea en las profundidades del espacio, en zonas muy específicas donde abundan, entre otros elementos, el carbono y el agua, junto con radiaciones de alta energía.

Para aproximarse al origen de estas biomoléculas, hay que considerar cómo era la superficie de la Tierra hace cuatro mil millones de años, antes de que se iniciara la vida. Era una costra mineral parcialmente cubierta por océanos salados, los cuales contenían miles de compuestos orgánicos en disolución. Había una gran actividad volcánica, la radiación ultravioleta no era filtrada en la atmósfera –una función que actualmente realiza la capa de ozono– y todavía se producían grandes impactos con asteroides que podían evaporar parcialmente los océanos. Debido a estos violentos fenómenos se iban alternando ciclos geológicos secos y húmedos. El agua se evaporaba constantemente de la interfaz entre el mar y la atmósfera, se condensaba y caía en forma de precipitaciones; formaba charcos con solutos orgánicos, y se volvía a evaporar. A partir de este caos de tierra, mar, atmósfera y energía, de alguna manera se originó la vida, hace poco más de 4.000 millones de años.

¿Qué es la vida?

La vida es una propiedad emergente de la química, un conjunto organizado de reacciones químicas integradas y encadenadas, localizadas en un espacio físico concreto, y heredables; o, dicho de otro modo, es un sistema químico que se mantiene a sí mismo y que es capaz de evolucionar. Sin embargo, no es fácil definir el concepto de vida, lo que dificulta establecer en qué momento concreto este conjunto de reacciones químicas se convirtió, por derecho propio, en un ser vivo. Por una parte, se puede decir que la vida está vinculada a tres procesos clave: reproducción, variación y selección natural. Desde el punto de vista metabólico, sin embargo, se puede definir como una asociación de compuestos químicos complejos autoorganizados con capacidad autoreproductora y catalítica que extrae energía del entorno.

Una de las definiciones más completas hace hincapié en que los organismos vivos:

• Almacenan y transmiten la información necesaria para funcionar y para hacer organismos iguales o muy semejantes a ellos (la información genética).
• Están capacitados para permitir y regular las reacciones químicas gracias a la participación de enzimas.
• Captan energía del entorno y la transforman en energía propia, que almacenan en moléculas específicas para poderla utilizar cuando les sea menester.
• Tienen la capacidad de reproducirse haciendo organismos iguales o muy semejantes a ellos mismos.
• Pueden responder de manera específica a los estímulos externos.
• Están sometidos a selección natural.

Todas estas características deben concurrir en el origen de la vida, como concurren actualmente en todos los seres vivos.

El origen químico de la vida

Tras la publicación del Origen de las especies en 1859, obra capital de la Biología donde Charles R. Darwin (1809-1882) describió la selección natural como proceso evolutivo y puso las bases de la teoría moderna que explica el hecho de la evolución, muchos naturalistas adoptaron la idea de que los organismos vivos son el resultado histórico de la transformación gradual de la materia inerte.

Como muchos de sus predecesores, Charles Darwin asumió que las plantas y los animales surgieron de forma natural a partir de materia no viva. En 1837 escribió, en una libreta de notas que se conoce como Second Notebook, que:
«La íntima relación entre la vida y las leyes de la combinación química, y la universalidad de éstas, apunta que la generación espontánea no es un hecho improbable».

Más aún, en el Origen de las especies se puede leer: «Tengo que inferir de forma análoga que probablemente todos los seres orgánicos que han vivido en la Tierra descienden de una forma primordial, a partir de la cual la vida respiró por primera vez».

Doce años después de la publicación de la primera edición del Origen de las especies, Darwin dio otra vuelta de tuerca a esta idea en una carta dirigida a su amigo Joseph Dalton Hooker (1817-1911):
«A menudo se dice que todas las condiciones para la primera producción de un organismo vivo se encuentran presentes en la actualidad, y podrían haber estado presentes siempre. Pero si (Oh!, qué gran si) pudiéramos imaginar un pequeño charco de agua cálida que contuviera todos los tipos de sales amónicas y fosfóricas en presencia de luz, calor y electricidad, donde se pudiera formar químicamente un compuesto proteico, listo para experimentar cambios aún más complejos, en la actualidad esta materia sería instantáneamente devorada o adsorbida, pero éste no habría sido el caso antes de que se formaran las criaturas vivas».

A finales del siglo XIX ya se había demostrado que era posible la síntesis química –o abiótica, es decir, sin la participación de seres vivos–, de lípidos y glúcidos, empleando diversas mezclas de gases y descargas eléctricas. Y a principios de siglo XX ya se habían sintetizado químicamente los primeros aminoácidos en el laboratorio, a partir de formamida húmeda (COH-NH ) sometida a descargas eléctricas y luz ultravioleta. En noviembre de 1923 el joven bioquímico ruso Alexander Ivánovich Oparin (1894-1980) publicó un breve libro titulado El origen de la vida, donde proponía por primera vez de forma explícita que antes de la vida celular debió haber habido un largo período de síntesis abiótica y de acumulación de compuestos orgánicos, a partir de los cuales surgieron, por agregación, los primeros organismos vivos, en palabras de Oparin «unas bacterias heterotróficas». En 1936 publicó un segundo libro, Origen de la vida, mucho más maduro, donde proponía que los primeros hidrocarburos (moléculas formadas únicamente por átomos de carbono y de hidrógeno) se habían formado en unas condiciones atmosféricas radicalmente diferentes a las actuales, en presencia de una atmósfera reductora –sin oxígeno–, a partir de carburos metálicos de origen geológico y vapor de agua. Estos hidrocarburos habrían podido reaccionar posteriormente con oxígeno para formar otras moléculas orgánicas, como alcoholes, cetonas y aldehídos, y con amonio para formar aminas, amidas y sales amónicas, unos compuestos básicos para la formación de los aminoácidos que constituyen las proteínas, las cuales a su vez se habrían agregado para formar sistemas coloidales a partir de los cuales habrían evolucionado estas supuestas bacterias heterotróficas.

La traducción al inglés del segundo libro de Oparin atrajo la atención de numerosos científicos, que iniciaron experimentos para simular la síntesis de compuestos orgánicos en las condiciones que se suponía que tenía la Tierra primitiva. De todos estos experimentos cabe destacar dos: los realizados por los químicos estadounidenses Stanley L. Miller (1930-2007) y Harold C. Urey (1893-1981), y los realizados por el bioquímico catalán Joan Oró (1923-2004) y sus colaboradores. Miller y Urey diseñaron un aparato que reproducía la interacción entre la atmósfera y el océano y donde se podían producir descargas eléctricas de 60.000 V para simular rayos. Lo llenaron con diversas mezclas de metano, amonio, hidrógeno y agua, que se suponía eran los gases predominantes en la atmósfera de la Tierra primitiva, y el conjunto se mantuvo caliente durante todo el experimento. Después de una semana a una presión de 1,5 bares, casi el 50 % del carbono presente en la mezcla había quedado incorporado en compuestos orgánicos que se habían sintetizado químicamente de forma espontánea, entre los que identificaron 13 de los 20 aminoácidos que normalmente forman las proteínas. Poco después de este experimento, Oró y sus colaboradores demostraron de forma similar que, si a la mezcla también se le añade cianuro amónico, se obtiene adenina, uno de los nucleótidos básicos que forman el ADN.

Estos experimentos permiten situar los orígenes moleculares de la vida. Inicialmente todas las moléculas necesarias para configurar un organismo vivo, aunque sea tan aparentemente sencillo como una bacteria, se fueron formando y aumentando de complejidad de forma relativamente independiente entre ellas, hasta llegar un momento en que empezaron a interactuar para formar estructuras cada vez más complejas, como por ejemplo membranas protectoras con un interior aislado pero al mismo tiempo comunicado con el exterior; sistemas de replicación del material hereditario, de control de su expresión y de síntesis de proteínas a partir de la información codificada en este material, etc. Desde este punto de vista cabe pensar en los orígenes de la vida, no porque la vida que existe en la Tierra provenga de más de un organismo primigenio fundador, sino por el origen químico en paralelo de todas las moléculas que confluyeron en el primer organismo al cual se pueda aplicar el calificativo de vivo.

Así mismo, resulta muy improbable la participación de moléculas extraordinariamente complejas en el origen de la vida, en la misma forma en que se encuentran actualmente. Es por este motivo que se hace necesario también incorporar una visión termodinámica –o metabólica– al estudio del origen de la vida. Esta concepción se basa en cinco principios básicos:

1. Hace falta una región circunscrita dentro de la cual pueda aumentar el orden, a costa de disminuirlo (o, lo que es lo mismo, de aumentar la entropía) a su alrededor, lo que implica la existencia de una barrera que separe lo vivo de lo que no lo es (se conoce como membrana celular, y está formada de fosfolípidos.
2. Debe existir una fuente de energía que impulse el proceso de organización –muchos organismos actuales consumen glúcidos y lípidos y los combinan con oxígeno para obtener energía metabólica, pero también los hay que utilizan otras fuentes energéticas–.
3. Además, la liberación de energía debe estar acoplada al proceso de organización que sustenta la vida, mediante mecanismos metabólicos.
4. También debe existir un entramado de reacciones químicas que permita la adaptación y la evolución.
5. Es necesario que este entramado pueda crecer y reproducirse.

Desde este punto de vista metabólico, se debe pensar en el origen de la vida, aquí en singular. En el primer organismo que se pueda considerar vivo, a pesar de que se establezca bajo fundamentos teóricos, tuvieron que concurrir tanto los orígenes moleculares como el origen metabólico de la vida.

Los elementos comunes a estos y otros muchos experimentos son la presencia de fuentes de energía, agua, carbono y algunas otras moléculas. El carbono (C) es un elemento clave en la evolución del material orgánico prebiótico, y se convierte en biológicamente interesante cuando forma largas cadenas y se combina con nitrógeno (N), oxígeno (O) e hidrógeno (H), entre otros elementos químicos, como por ejemplo fósforo (P) y azufre (S), para formar glúcidos, lípidos, aminoácidos y nucleótidos. Antes del surgimiento de la vida, muy probablemente la materia orgánica presente en la Tierra primitiva consistía en una amplia variedad de estos compuestos. Sin embargo, la forma en que se encajaron para formar los primeros organismos vivos es todavía un tema muy debatido. Una de las mejores maneras de abordarlo es analzando cómo sería el último antepasado común a todos los organismos actuales, un ser hipotético que se conoce con el nombre de LUCA (del inglés Last Universal Common Ancestor, o «último ancestro común universal»), a partir de cómo se organizan los organismos actuales. En este sentido, por citar algunos ejemplos, todos los seres vivos utilizan el ADN como material genético, que descodifican mediante un código universal para sintetizar proteínas, cuyas funciones son estructurales, enzimáticas y de señalización; sus membranas están formadas por fosfolípidos –un tipo especial de lípidos–, y todos utilizan un tipo concreto de nucleótido – el ATP– como sustrato de intercambio energético.

Para comprender cómo se pueden formar estas moléculas y qué características las hacen imprescindibles para el funcionamiento de les seres vivos, es necesario empezar por el principio, la constitución básica de la materia. Las propiedades de los átomos y los enlaces que establecen permiten justificar las cruciales funciones de estas moléculas, del mismo modo que las interacciones entre ellas dan sentido a la vida misma.

Átomos y moléculas orgánicas

Los elementos químicos son sustancias puras que no se pueden descomponer en ninguna otra sustancia pura más sencilla mediante métodos químicos. Se conocen 118 elementos químicos diferentes, de los que 90 son naturales y el resto se han generado artificialmente. Se representan por un símbolo de una o dos letras, y se suelen clasificar mediante la tabla periódica de los elementos.

Cada elemento químico está formado por un tipo de átomo, lo que implica que se conocen 90 tipos de átomos naturales diferentes. De todos ellos, hay cuatro que constituyen el 96 % de toda la materia que forma los seres vivos: el hidrógeno, el carbono, el nitrógeno y el oxígeno. El resto de los elementos que forman parte de los seres vivos se denominan oligoelementos. Los más frecuentes son el calcio, el fósforo, el azufre, el potasio, el sodio, el cloro, el magnesio, el hierro y el flúor, y no representan la globalidad de elementos de la tabla periódica. Además, se encuentran en una proporción diferente a la de la corteza terrestre.

En lo que respecta al cerebro, su proporción también es diferente a la del resto de la materia orgánica, y varia según las distintas zonas cerebrales.

Abundancia de elementos químicos en el cuerpo humano
Elemento	O	C	H	N	Ca	P	S	K	Na	Cl	Mg	Si	Fe	F
Porcentaje en masa	61%	23%	10%	2,6%	1,4%	1,1%	0,20%	0,20%	0,14%	0,12%	0,027%	0,026%	0,006%	0,0037%

Abundancia de los elementos químicos en la corteza terrestre
Elemento	O	Si	Al	Fe	Ca	Na	Mg	K	Ti	H	P	Mn
Porcentaje en masa	46%	27%	8,0%	6,0%	5,0%	2,5%	2,5%	2,0%	0,6%	0,1%	0,1%	0,1%

Estructura atómica

Los átomos están formados por un núcleo central compuesto de protones y neutrones, alrededor del cual se mueven electrones (es el denominado modelo planetario primitivo) (Figura A). Los protones son partículas subatómicas con masa y carga positiva; los neutrones también tienen masa, prácticamente idéntica a la de los protones, pero su carga es nula; y los electrones tienen carga negativa y su masa es prácticamente nula. Uno de los modelos atómicos más utilizados es el denominado de Bohr-Rutherford, propuesto inicialmente por Niels Bohr (1885-1962) y Ernest Rutherford (1871-1937).

A Estructura atómica del átomo de carbono. Obsérvese la disposición de los protones y los neutrones en el núcleo, y de los electrones en las capas electrónicas, según el modelo planetario de Bohr-Rutherford. Los electrones que se muestran emparejados representan los orbitales electrónicos completos.

Según este modelo, los electrones se mueven alrededor del núcleo atómico en unas regiones específicas, denominadas orbitales, cada uno de los cuales puede contener varios electrones, 2, 8, etc.
Estos orbitales, además, se agrupan en las denominadas capas de electrones. Las capas de electrones se sitúan progresivamente a distintas distancias del núcleo, y se nombran a partir de la más cercana a éste (la capa de electrones 1 será la más cercana el núcleo, la 2 la siguiente, y así sucesivamente). Cada capa de electrones contiene un número determinado de orbitales y, en consecuencia, de electrones máximos que puede contener (Figura A).

Este modelo planetario del átomo es muy visual y de fácil comprensión, pero tiene sus limitaciones, las cuales se ponen de manifiesto al combinarlo con los postulados de la física cuántica. En este sentido, uno de los postulados clásicos de la física cuántica es que es imposible asignar valores definidos a las observaciones, por lo que el movimiento de una partícula debe ser explicado por una función matemática que asigna, a cada punto del espacio y a cada instante, la probabilidad de que la partícula descrita se halle en tal posición en ese instante, por lo que se deben hacer predicciones sobre la distribución de probabilidades. Es decir, el modelo actualmente vigente que describe la estructura atómica considera las posiciones de los electrones en términos de probabilidades. Un electrón se puede encontrar potencialmente a cualquier distancia del núcleo pero, dependiendo de su nivel de energía, tiende a estar con más frecuencia en ciertas regiones, las cuales coinciden con los orbitales atómicos descritos por el modelo planetario del átomo. Sea como fuere, para comprender cómo la estructura de los átomos influye en las moléculas y sus propiedades, en un principio puede ser suficiente con considerar el modelo de Bohr-Rutherford.

Para cada elemento, el número de protones que se encuentran en el núcleo de sus átomos es siempre constante. Los átomos de carbono, por ejemplo, tienen siempre seis protones, y los de nitrógeno siete. Al número de protones de un átomo se le denomina número atómico. Si el número de protones de un átomo cambia, deja de pertenecer a ese elemento. Dicho de otro modo, si por métodos físicos se consiguiese, por ejemplo, arrancar un protón a un átomo de nitrógeno, dejaría de ser nitrógeno y se convertiría en un átomo de carbono.

Sin embargo, el número de neutrones sí puede variar entre átomos de un mismo elemento. Por ejemplo, los átomos de carbono más frecuentes en la naturaleza tienen seis neutrones, lo que significa que su núcleo está formado por seis protones y seis neutrones. Esta configuración atómica se representa mediante la nomenclatura C. A parte de los átomos de carbono cuyo núcleo contiene seis neutrones, en la naturaleza también se encuentran algunos que tienen siete e incluso ocho. En este último caso, por ejemplo, el núcleo estaría formado por catorce partículas (los seis protones característicos del carbono más los ocho neutrones), una configuración atómica que se representa como C. Las distintas formas de los átomos de un elemento que difieren en el número de neutrones se denominan isótopos, y a pesar de que la mayoría son estables, también incluyen algunos que son radiactivos.
Así, el (12)C y el (14)C serían dos isótopos distintos del carbono. Puesto que ambos poseen seis protones, tienen las mismas propiedades fisicoquímicas (que son las del carbono) y ocupan la misma casilla de la tabla periódica de los elementos.

Finalmente, la suma de los protones y neutrones del núcleo atómico determina su peso atómico –denominado también masa atómica relativa–, el cual se mide con una unidad denominada Dalton (Da) –o, alternativamente, unidad de masa atómica o u–. En este sistema se considera que la masa de un protón es la misma que la de un neutrón, y equivale a 1 Da. El peso atómico del (12)C es, pues, de 12 Da, y el del (14)C de 14 Da.

Por lo que respecta a los electrones, como ya se ha dicho, tienen carga negativa y su masa es tan pequeña que a efectos prácticos generalmente se ignora. Sin embargo, su distribución alrededor del núcleo ocupando los diversos orbitales es esencial para entender la manera en la que los distintos átomos se pueden combinar entre ellos para formar moléculas.

Para ello es necesario fijarse en los electrones que ocupan la capa electrónica más externa del átomo, que se denomina capa de valencia. Los electrones que se encuentran en esta capa se denominan electrones de valencia.

Si nos fijamos, por ejemplo, en el átomo de carbono (Figura A), su capa de valencia, que corresponde con la capa 2, podría llegar a contener hasta ocho electrones, apareados dos a dos en cuatro orbitales diferentes. Sin embargo solo contiene cuatro electrones, ninguno de los cuales se encuentra apareado. El número de electrones de valencia desemparejados varía según cada elemento (véanse algunos ejemplos en la Figura B): el carbono tiene cuatro; el oxígeno, dos; el nitrógeno, tres; y el hidrógeno uno (en este caso, en la capa electrónica 1).

¿Qué importancia tiene esto para el tema que nos ocupa? La estabilidad de los átomos depende de que su capa de valencia esté completa. Y una de las maneras que tienen de completar sus capas electrónicas de valencia es compartiendo electrones con otros átomos, lo que genera enlaces moleculares entre ellos. Dos átomos de hidrógeno, por ejemplo, se pueden mantener enlazados al compartir sus electrones, lo que genera el denominado hidrógeno molecular (H2).
Lo mismo le sucede, por ejemplo, al oxígeno (O2). Y el carbono, por citar otro ejemplo más, puede compartir sus cuatro electrones de valencia con átomos de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno e, incluso, con otros átomos de carbono, entre otros –como azufre y fósforo–, lo que genera la gran complejidad de moléculas necesarias para desempeñar las funciones vitales.

B Estructura de los átomos más frecuentes en los seres vivos.

Las moléculas y sus enlaces

Las moléculas están formadas por dos o más átomos unidos entre sí de forma reversible, mediante distintos tipos de enlaces. Desde la perspectiva biológica, los enlaces más destacados son los covalentes –que a menudo reciben distintos nombres en función de las moléculas que unan–, los iónicos y los de hidrógeno.

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