Organización Celular y Molecular: Desde los Átomos hasta los Organismos

La Célula: Unidad Fundamental de la Vida

La célula es la mínima unidad reproductiva y la base hereditaria de la información que define a cada especie. Posee capacidad autorreplicativa.

Componentes Celulares Clave

• Membrana Plasmática: Define el límite con el medio externo, establece un sistema de compartimentalización celular e interactúa con el medio extracelular y otras células.
• Membrana Nuclear: Diferencia a los organismos "eucariontes" de los "procariontes".
• Orgánulos: Presentes en todas las células eucariotas. Su número y extensión dependen de las funciones celulares. Algunos ejemplos incluyen:
  • Mitocondrias: Abundantes en células con alta demanda energética.
  • Retículo Endoplásmico: Predominante en células con alta síntesis proteica.
  • Aparato de Golgi: Importante en células con alta síntesis de lípidos y productos de excreción celular.
  • Citoesqueleto: Esencial en células móviles.

Niveles de Organización Biológica

La organización biológica se estructura en varios niveles:

1. Célula: Unidad básica. Puede formar organismos unicelulares o multicelulares.
2. Tejidos: Conjunto de células diferenciadas que cumplen una función específica.
3. Órganos: Estructuras formadas por tejidos organizados.
4. Organismo: Ente biológico complejo con múltiples tipos celulares.

Diferenciación Celular

En un organismo existen múltiples tipos celulares, a pesar de tener la misma carga genética (~30.000 genes en humanos). Esto se debe a los distintos patrones de expresión génica. Las mutaciones pueden llevar a la evolución o a enfermedades como el cáncer.

Organización Molecular de la Célula

• Nivel Molecular: Incluye agua, sales y moléculas orgánicas (hidratos de carbono, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos).
• Nivel Estructural/Funcional: Comprende los orgánulos.

Los procesos celulares se basan en principios químicos. Comprender las propiedades de las moléculas biológicas es crucial para entender las funciones "macro".

El Agua: Solvente Vital

El agua es el solvente orgánico principal y condiciona la estructura de otras moléculas. Es una molécula polar (dipolo).

Organización Molecular: Átomos y Enlaces

La organización molecular se basa en:

• Átomos
• Moléculas
• Macromoléculas (formadas por enlaces)

Las moléculas biológicas clave contienen C, H, O y N.

Tipos de Enlaces Químicos

Enlaces Iónicos

Se establecen entre iones con carga positiva (+) y negativa (-). Los electrones son cedidos entre átomos con diferente electronegatividad. En solución, se encuentran iones como Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^-.

Puentes de Hidrógeno

Se forman entre un átomo de hidrógeno (H) que participa en un enlace covalente polar y otro átomo electronegativo que también participa en un enlace covalente polar. Tienen una energía de 1-2 kCal/mol y estabilizan moléculas de mayor nivel.

Interacciones Hidrofóbicas

Se producen porque las interacciones entre las moléculas de agua excluyen a las moléculas hidrofóbicas.

Enlaces Covalentes

Se forman al compartirse pares de electrones. Si los electrones se comparten por igual, el enlace es no polar. Si se comparten de forma desigual, el enlace covalente es polar. Son enlaces de alta energía.

Interacciones de Van der Waals

Se establecen entre dipolos transitorios, tanto en moléculas polares como neutras. Dependen de la distancia entre los átomos (radio de Van der Waals). Su energía es de aproximadamente 1 kCal/mol.

ATP: La Moneda Energética Celular

El ATP (adenosín trifosfato) es un nucleótido fundamental en la obtención de energía celular. Posee enlaces de alta energía y participa en el gradiente electroquímico. Está formado por:

• Una base nitrogenada (adenina).
• Un azúcar de tipo pentosa (ribosa).
• Tres grupos fosfato enlazados al carbono 5 de la ribosa.

El ATP se encuentra incorporado en los ácidos nucleicos. Se produce durante la fotosíntesis y la respiración celular, y es utilizado por numerosas enzimas en la catálisis de procesos químicos. Su fórmula es C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃.

Formación y Ruptura de Moléculas

• Estructura Lineal: Las moléculas biológicas a menudo presentan una estructura lineal.
• Enlaces Monómero/Polimerización: La formación de polímeros a partir de monómeros requiere energía (no son reacciones espontáneas).
• Enlaces No Covalentes: Son importantes para estructuras moleculares de mayor nivel y macromoléculas. Son uniones débiles y transitorias, con bajo contenido energético (ruptura: 1-5 kcal/mol). La energía cinética a 20°C es de 0,6 kCal/mol.
• Enlaces covalentes: Se establecen entre átomos con orbitales desapareados, determinando el número de enlaces.
• Enlaces/Electrones desapareados: La forma del enlace es característica y las moléculas establecen polaridad, influenciada por la electronegatividad de los átomos.

Las moléculas biológicas se unen o desintegran mediante la adición o eliminación de H₂O.