Química de los polímeros
En todas las formas de vida de la Tierra, desde la bacteria más pequeña hasta el cachalote gigante, hay cuatro clases principales de macromoléculas orgánicas que siempre se encuentran y son esenciales para la vida. Se trata de los hidratos de carbono, los lípidos (o grasas), las proteínas y los ácidos nucleicos. Todas las clases principales de macromoléculas son similares, en el sentido de que son grandes polímeros que se ensamblan a partir de pequeñas subunidades monoméricas que se repiten. En el capítulo 6, se presentaron los polímeros de la vida y sus estructuras de bloques de construcción, como se muestra en la figura 11.1. Recuerde que las unidades monoméricas para construir los ácidos nucleicos, el ADN y el ARN, son las bases nucleotídicas, mientras que los monómeros para las proteínas son los aminoácidos, para los carbohidratos son los residuos de azúcar y para los lípidos son los ácidos grasos o los grupos acetilo.
Este capítulo se centrará en una introducción a la estructura y función de estas macromoléculas. Descubrirás que las principales macromoléculas se mantienen unidas por los mismos enlaces químicos que has explorado en los capítulos 9 y 10, y dependen en gran medida de la síntesis por deshidratación para su formación, y de la hidrólisis para su descomposición.
Hidrólisis de polímeros
S. W. FOX (Universidad de Miami) estudió la formación de proteínas a partir de aminoácidos a partir de la década de 1960. Sus estudios muestran que las proteínas y/o los polímeros similares a las proteínas (llamados proteinoides) se desarrollan al calentar una mezcla de aminoácidos hasta 150 – 200 oC. El tiempo de incubación es de varios días. El rendimiento es mayor cuando se añade polifosfato, la polimerización se produce entonces ya a 70 oC. Estos polímeros presentan dos características decisivas:
La actividad catalítica de un proteinoide. La reacción observada fue la descarboxilación del piruvato, rojo: en presencia de un proteinoide, azul: en presencia de una mezcla de aminoácidos libres, y rosa: sin aditivo (según S. W. FOX y K. DOSE, 1972)
Parece, pues, que el autoensamblaje sería una característica inherente a la materia. Se debe a la tendencia de las partes hidrofóbicas de las moléculas a formar el máximo número de interacciones débiles excluyendo el agua. El análisis del ensamblaje de los proteinoides puso de manifiesto que la polimerización no sigue únicamente las leyes del azar. La composición de aminoácidos de los proteinoides difiere considerablemente de la de la mezcla de aminoácidos, es decir, la probabilidad de incorporarse a un proteinoide no es la misma para todos los aminoácidos, sino que se prefieren ciertos aminoácidos como el ácido aspártico. Las propiedades físico-químicas de los monómeros, así como la secuencia inicial de un nuevo polímero, determinan qué aminoácidos adicionales se incorporarán a la cadena polipeptídica en crecimiento. El objetivo es siempre adquirir un estado de baja energía que se caracteriza por dos criterios:
Abreviatura de macromoléculas
“Lo siento en mis dedos, lo siento en mis pies, el amor que me rodea”. Esta podría ser la letra de una popular canción navideña de la película Love Actually, pero también podría ser una canción sobre las macromoléculas, las grandes moléculas que nos rodean. Desde las uñas y el pelo hasta las puntas de goma de los auriculares, están por todas partes. Tú estás hecho de macromoléculas, al igual que los árboles y las botellas de agua de plástico. Las llamamos polímeros, largos tramos de moléculas idénticas con una serie de propiedades útiles, como la dureza o la elasticidad. Y resulta que no podemos vivir sin ellos. Los polímeros son naturales -el ADN de nuestras células es un polímero- y sintéticos (hechos por el hombre), como el plástico, el Silly Putty y la espuma de poliestireno. Este artículo desvela los misterios de los polímeros y explica cómo estos fascinantes materiales han dado forma a la vida tal y como la conocemos.
La palabra científica para designar una molécula muy grande es macromolécula, porque “macro” significa grande. Los polímeros son materiales macromoleculares que afectan a casi todos los aspectos de nuestra vida. Lo más probable es que la mayoría de nosotros hayamos estado en contacto con al menos un producto que contiene polímeros -desde botellas de agua hasta aparatos o neumáticos- en los últimos 5 minutos. De hecho, el propio término “polímero” nos da una pista sobre cómo se diseñan estos materiales. En griego, “poly” significa muchos, y “mer” significa parte. Para entenderlo mejor, imagine que está haciendo un collar de cuentas. Cada cuenta representa un átomo. Puedes ensartar cuentas individuales en una fila. O puede hacer grupos de un tipo de cuentas con otras, y luego ensartarlas. En un polímero, las cuentas individuales se llaman monómeros. Una vez unidos, los monómeros forman el polímero. La figura 1 muestra un diagrama simplificado de cómo los monómeros construyen diferentes tipos de polímeros.
Molécula grande
Ahora que hemos hablado de las cuatro clases principales de macromoléculas biológicas (carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos), hablemos de las macromoléculas en su conjunto. Cada una de ellas es un importante componente de la célula y desempeña una amplia gama de funciones. Combinadas, estas moléculas constituyen la mayor parte de la masa seca de una célula (recordemos que el agua constituye la mayor parte de su masa completa). Las macromoléculas biológicas son orgánicas, es decir, contienen carbono. Además, pueden contener hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y otros elementos menores.
La mayoría de las macromoléculas están formadas por subunidades individuales, o bloques de construcción, llamados monómeros. Los monómeros se combinan entre sí mediante enlaces covalentes para formar moléculas más grandes conocidas como polímeros. Al hacerlo, los monómeros liberan moléculas de agua como subproductos. Este tipo de reacción se conoce como síntesis de deshidratación, que significa “juntar perdiendo agua”.
En una reacción de síntesis de deshidratación (Figura 1), el hidrógeno de un monómero se combina con el grupo hidroxilo de otro monómero, liberando una molécula de agua. Al mismo tiempo, los monómeros comparten electrones y forman enlaces covalentes. A medida que se unen más monómeros, esta cadena de monómeros repetitivos forma un polímero. Los diferentes tipos de monómeros pueden combinarse en muchas configuraciones, dando lugar a un grupo diverso de macromoléculas. Incluso un mismo tipo de monómero puede combinarse de diversas maneras para formar varios polímeros diferentes: por ejemplo, los monómeros de glucosa son los constituyentes del almidón, el glucógeno y la celulosa.