21.3: La Química de la Célula

La célula se compone químicamente de agua, moléculas orgánicas e iones inorgánicos.

Agua

La polaridad de la molécula de agua y su puente de hidrógeno resultante hacen del agua una sustancia única con propiedades especiales que están íntimamente ligadas a los procesos de la vida. La vida evolucionó originalmente en un ambiente acuoso, y la mayor parte de la química celular y el metabolismo de un organismo ocurren dentro del contenido acuoso del citoplasma celular. Las propiedades especiales del agua son su alta capacidad calorífica y calor de vaporización, su capacidad para disolver moléculas polares, sus propiedades cohesivas y adhesivas, y su disociación en iones que conducen a la base del pH. Comprender estas características del agua ayuda a dilucidar su importancia en el mantenimiento de la vida.

Una de las propiedades importantes del agua es que es una molécula polar: El hidrógeno y el oxígeno dentro de las moléculas de agua (H₂O) forman enlaces covalentes polares. Si bien no hay carga neta en una molécula de agua, la polaridad del agua crea una carga ligeramente positiva sobre el hidrógeno y una carga ligeramente negativa sobre el oxígeno, lo que contribuye a las propiedades de atracción del agua. El agua genera cargas porque el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, lo que hace más probable que un electrón compartido esté más cerca del núcleo de oxígeno que del núcleo de hidrógeno, generando así la carga negativa parcial cerca del oxígeno.

Como resultado de la polaridad del agua, cada molécula de agua atrae a otras moléculas de agua debido a las cargas opuestas entre ambas moléculas, formando puentes de hidrógeno. El agua también atrae o es atraída a otras moléculas e iones polares. Una sustancia polar que interactúa o se disuelve fácilmente en el agua es hidrofílica. Por el contrario, las moléculas no polares, como los aceites y las grasas, no interactúan bien con el agua. Estos compuestos no polares son hidrofóbicos.

Moléculas orgánicas

Las proteínas, los carbohidratos, los ácidos nucleicos y los lípidos son las cuatro clases principales de macromoléculas biológicas—moléculas grandes necesarias para la vida que se construyen a partir de moléculas orgánicas más pequeñas. Las macromoléculas se componen de unidades únicas que los científicos llaman monómeros que se unen por enlaces covalentes para formar polímeros más grandes. El polímero es más que la suma de sus partes: Adquiere nuevas características y conduce a una presión osmótica mucho menor que la que forman sus ingredientes. Esta es una ventaja importante en el mantenimiento de las condiciones osmóticas celulares. Un monómero se une con otro monómero con la liberación de moléculas de agua, lo que conduce a la formación de un enlace covalente. Los científicos llaman a estas reacciones de deshidratación o condensación. Cuando los polímeros se descomponen en unidades más pequeñas (monómeros), utilizan una molécula de agua por cada enlace roto por estas reacciones. Tales reacciones son reacciones de hidrólisis. Las reacciones de deshidratación e hidrólisis son similares para todas las macromoléculas, pero cada reacción de monómero o polímero es específica de su clase. Las reacciones de deshidratación típicamente requieren una inversión de energía para la formación de nuevos enlaces, mientras que las reacciones de hidrólisis típicamente liberan energía rompiendo enlaces.

Carbohidratos Los carbohidratos son un grupo de macromoléculas que son una fuente vital de energía para la célula y proporcionan apoyo estructural a las células vegetales, hongos y todos los artrópodos que incluyen langostas, cangrejos, camarones, insectos y arañas. Los carbohidratos se pueden clasificar en monosacáridos, disacáridos y polisacáridos. El almacenamiento de glucosa, en forma de polímeros como el almidón o el glucógeno, la hace ligeramente menos accesible para el metabolismo; sin embargo, esto evita que se escape de la célula o que cree una presión osmótica alta que podría hacer que la célula absorba agua excesiva.

Proteínas Las proteínas son una clase de macromoléculas que realizan una diversa gama de funciones en la célula. Ayudan en el metabolismo al actuar como enzimas, transportadores u hormonas y proporcionan apoyo estructural. Los bloques de construcción de las proteínas son los aminoácidos.

Lípidos Los lípidos son una clase de macromoléculas de naturaleza no polar e hidrofóbica. Los tipos principales incluyen grasas y aceites, ceras, fosfolípidos y esteroides. Las grasas son una forma de energía almacenada y también se conocen como triacilgliceroles o triglicéridos. El colesterol es un tipo de esteroide y es un componente importante de la membrana plasmática, donde ayuda a mantener la naturaleza fluida de la membrana.

Ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son moléculas compuestas de nucleótidos que dirigen actividades celulares como la división celular y la síntesis de proteínas. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: ADN y ARN. El ADN lleva el modelo genético de la célula y lo transmite de padres a hijos. El ARN participa en la síntesis de proteínas y en su regulación.

Iones inorgánicos

Los iones inorgánicos constituyen menos del 1% de la masa celular, pero son críticos para la función celular. Los que se encuentran en una célula incluyen sodio, potasio, magnesio, calcio, fosfato, y cloro.

Este texto ha sido adapatado de Openstax, Biología 2e, Unidad 1: La Química de la Vida.

Las células son los componentes básicos de los organismos vivos. Están compuestas principalmente de agua, moléculas orgánicas e iones inorgánicos. El agua constituye alrededor del 70 porciento de la célula.

Este ambiente acuoso en el citoplasma es esencial para la estructura de la célula y para muchas de las reacciones que ocurren dentro de ella. El agua es una molécula altamente polar, por lo que interactuará con otras moléculas e iones polares en la célula, pero no con los no polares. El ambiente hidrofílico del citoplasma promueve la formación de estructuras tridimensionales de proteínas, con aminoácidos apolares en el núcleo y polares en la superficie.

En el caso de la formación de membranas, los grupos de fosfolípidos de la cabeza polar interactúan con el agua. En contraste, las colas no polares interactúan entre sí creando una barrera hidrofóbica hacia el exterior de la célula. El pH de los fluidos biológicos en la célula y sus compartimentos se amortigua con precisión.

El pH del citoplasma es de alrededor de 7, 2 y está regulado por moléculas como los iones fosfato. Por el contrario, el pH en los lisosomas, compartimentos celulares especializados, es de alrededor de 5. Esto se debe a que los lisosomas contienen enzimas que funcionan de manera óptima en ambientes ácidos.

Las moléculas orgánicas en la célula incluyen carbohidratos, proteínas, lípidos y nucleótidos. Todas estas diversas macromoléculas tienen una variedad de funciones. Los carbohidratos son una fuente primaria de energía para propiciar varios procesos metabólicos.

Sin embargo, la célula también puede descomponer proteínas y lípidos como combustible. Las proteínas pueden ser enzimas que catalizan reacciones o pueden contribuir a la estructura celular. Los lípidos son un componente importante de las membranas celulares.

Además, estas macromoléculas se pueden unir covalentemente entre sí para formar conjugados como glicoproteínas y glicolípidos, que a menudo se encuentran en las membranas celulares. Los nucleótidos sirven como material genético y también se asocian con proteínas para formar nucleoproteínas que empaquetan firmemente el ADN en una célula. El nucleótido de adenosin trifosfato o ATP también es una fuente de energía para muchos procesos celulares.

Los iones inorgánicos fundamentales para la función celular incluyen sodio, potasio, magnesio, calcio, fosfato y cloruro. Aunque estos iones constituyen menos del 1 porciento de la masa celular, tienen diversas funciones dentro de la célula. Por ejemplo, los iones como el calcio se utilizan para transmitir señales biológicas a través de una célula, mientras que el magnesio es esencial para la actividad catalítica de muchas enzimas.