Bachillerato → 1º de carrera v0.1 · Capítulo 1

El mapa de la biología

La vida es química organizada. Cada peldaño se construye con las piezas del anterior: átomos que forman moléculas, moléculas que forman máquinas, máquinas que forman células. Sube por la escalera.

Este libro crece contigo: cada capítulo se amplía a medida que avanzas en el curso. Los capítulos marcados en preparación ya tienen su hoja de ruta.

1 · La química de la vida

Antes de genes, células o moscas, hay que entender por qué unas moléculas se atraen, se repelen, se pliegan y se reconocen. Casi todo en biología se reduce a enlaces: unos fuertes que dan estructura y otros débiles que permiten el movimiento.

1.1 · Los elementos de la vida

Seis elementos forman cerca del 99 % de la masa de un ser vivo. El carbono es el esqueleto: con cuatro enlaces covalentes forma cadenas, anillos y ramificaciones casi sin límite.

Porcentajes aproximados en masa del cuerpo humano. El oxígeno domina porque el cuerpo es, sobre todo, agua.

1.2 · El agua: el disolvente que lo decide todo

El oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y atrae los electrones del enlace. La molécula, además, es angular (unos 104,5°). Resultado: un extremo parcialmente negativo (δ−) y otro parcialmente positivo (δ+). El agua es un dipolo.

Esos dipolos se atraen entre sí mediante puentes de hidrógeno. De ahí su alto punto de ebullición, su calor específico y su capacidad para disolver todo lo que tenga carga o polaridad.

O H H δ− δ+ δ+ O puente de H

Hidrófilo · «amigo del agua»

Moléculas con carga o polaridad (iones, grupos –OH, –NH₂, –COOH). Se rodean de agua y se disuelven: azúcares, sales, aminoácidos polares.

Hidrófobo · «teme al agua»

Cadenas de C–H sin carga. No pueden formar puentes de H con el agua y acaban agrupándose: aceites, colas de los lípidos, el interior de las proteínas.

La clave del efecto hidrofóbico. Las moléculas apolares no se «atraen» con fuerza entre sí. Lo que ocurre es que el agua, a su alrededor, queda obligada a ordenarse en una especie de jaula. Al juntarse las partes apolares, se libera agua de esas jaulas y la entropía del sistema aumenta. El agua «expulsa» lo apolar hacia dentro. Así se forman las membranas y se pliegan las proteínas.

1.3 · Enlaces fuertes y enlaces débiles

Los enlaces covalentes comparten electrones y casi nunca se rompen a temperatura corporal sin ayuda de una enzima: forman el esqueleto de las moléculas. Los enlaces débiles (iónicos en agua, puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals) se forman y se rompen continuamente. Individualmente son frágiles; sumados por cientos, sostienen la forma de una proteína o mantienen unidas las dos hebras del ADN.

TipoQué esEnergía en vacíoEnergía en agua
CovalenteElectrones compartidos entre dos átomos≈ 377 kJ/mol≈ 377 kJ/mol
IónicoAtracción entre cargas opuestas (–COO⁻ ··· ⁺H₃N–)≈ 335 kJ/mol≈ 12,6 kJ/mol
Puente de hidrógenoH unido a O o N, atraído por otro O o N≈ 16,7 kJ/mol≈ 4,2 kJ/mol
Van der WaalsDipolos instantáneos entre átomos muy próximos≈ 0,4 kJ/mol≈ 0,4 kJ/mol

Valores típicos por enlace (orden de magnitud, según los manuales clásicos de biología celular). Fíjate en el iónico: el agua apantalla las cargas y lo debilita unas 25 veces.

Laboratorio · ¿Qué enlaces sobreviven al calor?

La energía térmica media por mol es del orden de RT. Un enlace cuya energía es solo unas pocas veces RT se rompe y se rehace constantemente. Mueve la temperatura y cambia el medio.

2,58RT (kJ/mol)
1,6×Puente de H / RT
146×Covalente / RT
¿Cómo se calcula?

1.4 · Los 20 aminoácidos

Todos comparten un esqueleto: un carbono central (Cα) unido a un grupo amino (–NH₂), un grupo carboxilo (–COOH), un hidrógeno y una cadena lateral R. La R es lo único que cambia, y decide si el aminoácido es hidrófobo, polar o con carga. Pulsa cualquiera para ver su ficha.

H₂N Cα COOH R H cadena lateral (lo que cambia)
Apolar (hidrófobo) Polar sin carga Ácido (carga −) Básico (carga +)
Elige un aminoácido.

1.5 · Del aminoácido a la proteína

El carboxilo de un aminoácido reacciona con el amino del siguiente y libera una molécula de agua: es el enlace peptídico, un enlace covalente (condensación). La cadena tiene dirección: empieza en el extremo N-terminal y termina en el C-terminal. La secuencia se escribe con el código de una letra.

La carga de un péptido depende del pH. Cada grupo ionizable gana o pierde un protón según su pKa (Henderson-Hasselbalch). El punto isoeléctrico (pI) es el pH en el que la carga neta es cero: ahí la proteína es menos soluble y no migra en un campo eléctrico.

Laboratorio · Analizador de péptidos
–Residuos
–Masa (Da, media)
–Carga neta al pH
–Punto isoeléctrico
–Hidropatía media (GRAVY)

Perfil de hidropatía (Kyte-Doolittle, ventana de 7): por encima de cero, tramo hidrófobo; por debajo, hidrófilo.

Curva de carga frente a pH:

¿Cómo se resuelve?
De aquí a la farmacia. La semaglutida, uno de los fármacos actuales contra la obesidad y la diabetes tipo 2, es el GLP-1 de arriba con tres retoques: la Ala-8 se cambia por Aib (un aminoácido no natural que la enzima DPP-4 no corta), la Lys-34 por Arg, y a la Lys-26 se le engancha una cadena de ácido graso. Esa cola hidrófoba se pega a la albúmina de la sangre y alarga la vida del fármaco de minutos a una semana. Química de enlaces débiles aplicada.

1.6 · El efecto hidrofóbico pliega la proteína

La secuencia decide la forma. Para verlo sin ordenadores gigantes, los biofísicos usan el modelo HP: cada aminoácido es solo H (hidrófobo) o P (polar), la cadena vive en una cuadrícula y cada contacto H–H entre residuos no consecutivos resta 1 de energía. La cadena busca la energía mínima: los H se esconden en el centro y los P quedan fuera, de cara al agua. Es el mismo principio que en una proteína real, simplificado.

Laboratorio · Plegador HP
0Energía actual
0Mejor energía encontrada
–Temperatura de simulación

El péptido modelo de 20 residuos es un problema de referencia clásico: su mínimo conocido es −9. El algoritmo (recocido simulado) no siempre lo alcanza; pulsa otra vez y compara. Este es, en miniatura, el problema del plegamiento de proteínas.

1.7 · Autoevaluación