Hay una pregunta fundamental ¿qué es la vida? Y hay muchas definiciones, muchas respuestas de tipo científico, pero todas ellas son incompletas.

También nos podemos preguntar ¿en qué se parecen los seres vivos entre sí? ¿Existe alguna característica que los define? La única respuesta univoca que se ha encontrado está en la química. Todos los seres vivos presentan 12 moléculas. El denominador común de la vida son unas moléculas que corresponden, la mayoría de ellas, al metabolismo central de la glucosa. Y ¿cuáles son las características que nos van a diferenciar esta materia viva de la materia inanimada?

Las características de la materia viva

Las características, desde el punto de vista de la química, de la materia viva son:

-Enorme complejidad: sin embargo no es una propiedad exclusiva de la vida. La frontera entre la química inorgánica y la orgánica (o química de la vida) es muy sutil. Y la complejidad de la vida también se puede observar en la materia inorgánica.

-Compartimentación: es otra de las características básicas que se busca para ver el origen de la vida. Cualquier organismo que esté vivo necesita tener orgánulos. La célula, unidad mínima viva, tiene compartimentación. Existen una serie de membranas que separan. La compartimentación es necesaria para aumentar la complejidad. Actualmente la investigación en nanopartículas permite, a partir de materia inorgánica crear formas complejas que -en algunos casos- se parecen muchísimo a las formas orgánicas encontradas en la materia viva. Por tanto, la compartimentación tampoco es una característica exclusiva de la materia viva.

-Capacidad de autoorganización: la compartimentación lleva a otra propiedad que también es muy espectacular de la materia viva, que es la capacidad de autoorganización. Es decir, una molécula que se encuentra dentro de un núcleo sabe que debe encontrarse dentro del núcleo. ¿Y por qué? La materia sujeta a las fuerzas físicas es capaz de producir fenómenos de compartimentación, esto puede explicar porque las moléculas se dirigen al lugar donde deben compartimentarse.

-Quasi simetría: otra característica interesante es que la naturaleza es simétrica, aunque no del todo. Es lo que denomino quasi simetría. Hay claramente perfiles de simetría pero no tan perfecta como la que se produce al cristalizar, por ejemplo, sales inorgánicas. Sin embargo, el premio Nobel del año pasado se lo dieron a un químico israelí por demostrar que la quasi simetría también existía en la química. Hay una serie de partículas inorgánicas que son capaces de ensamblarse en unos mosaicos que no son siempre perfectos. Nuevamente la materia inanimada también presenta esta propiedad.

-Reproducción: La característica más obvia de los seres vivos es su capacidad para reproducirse. Sin embargo, existen moléculas químicas que son capaces de autoreplicarse. Hay una serie de moléculas que sólo son capaces de producir la reacción de formación en presencia de su propia molécula porque se ensamblan encima de la misma molécula para producir la reacción, después se desensamblan y crean una copia. Ésta será capaz de ensamblar dos nuevas moléculas para producir una copia adicional. Esto es un proceso de autoreplicación en química, y por tanto se debe considerar un proceso de reproducción artificial.

¿Cuáles son los componentes químicos que definen a la materia viva?

Podríamos hacer el análisis elemental de qué átomos son los que componen un ser vivo, y fundamentalmente somos carbono, hidrógeno, oxígeno, fósforo, nitrógeno, azufre y algunos oligoelementos más.

Por otro lado somos un 75% de agua y si hablamos de biomoléculas: proteínas, ácidos nucleicos y lípidos. Con estas tres moléculas y algunas más pequeñas podemos tener una descripción de la vida.

Cada proteína está codificada en un único gen. Heredamos los genes que después se convierten en las proteínas que son las que hacen las funciones del cuerpo humano. A partir del análisis de las proteínas vamos a intentar ver cómo a nivel molecular éstas contienen todas las propiedades que hemos visto antes y qué características de la vida pueden intentar explicar.

Entendiendo las propiedades de la vida a partir del análisis de sus moléculas químicas

Las proteínas están compuestas de 20 aminoácidos y los tenemos que adquirir o bien por la dieta (los esenciales) o los tenemos que sintetizar. Las proteínas están en la carne, el pescado, o los vegetarianos las toman de la mezcla de lentejas con arroz, o del tofu.

Los aminoácidos se ensamblan en cadenas polipeptídicas para formar las proteínas, y el número de proteínas viene determinado por el número de genes que codifican por proteínas, unos 35.000 genes en el caso del ser humano. La información para la síntesis de las proteínas está en los genes.

Las proteínas hacen todo tipo de funciones: son los enzimas, las proteínas que catalizan una reacción; hacen una función estructural, mantienen la forma de las células y de los tejidos; permiten la motricidad; realizan la transducción de señal, las proteínas envían las señales; tienen función reparadora; y función inmunológica.

Mutaciones producidas en el material genético

Las proteínas vienen de los genes y éstos están sujetos a mutaciones y éstas producen cambios en las bases que se traducirán a cambios en los aminoácidos y éstos pueden producir fallos en las proteínas. Puede ser que no pase nada o puede ser que se produzca un fallo que se puede heredar y esto produce por ejemplo (pero no sólo) las enfermedades raras. Y al tener tantos genes somos susceptibles de tener muchas enfermedades raras, una por cada gen. Pero este mecanismo, que en principio es negativo, también es positivo. La teoría de la evolución de Darwin se basa en la mutación espontánea como mecanismo de avance para las especies.

Las proteínas presentan grados de complejidad porque en ella está la capacidad de información. Para aumentar la complejidad de una proteína debe de tener no sólo estructura primaria -que sería la secuencia- si no que ésta adopte una estructura secundaria -que pude ser una hélice- y ésta a su vez se pliega sobre sí misma y adopta una estructura terciaria y puede asociarse formando una estructura de tipo cuaternaria. Se forma una estructura tridimensional compleja y sólo esa es capaz de ejercer su función. Hay muchas formas y el plegamiento de las proteínas es uno de los grandes dilemas de la biología moderna. Si fuéramos capaces de predecir, a partir de una secuencia, qué plegamiento adoptaría tendríamos resueltos muchísimos problemas. Actualmente por métodos computacionales se puede intuir pero no predecir exactamente.

¿Para qué sirve la forma “plegada” de las proteínas?

Permite la interacción con otras proteínas y con metabolitos. Los enzimas tienen que estar plegados para ejercer su función. Y Las formas plegadas del tipo fibrilar hacen que los músculos y huesos no se rompan con facilidad.

Las pequeñas diferencias que hay en el plegamiento de cada proteína son las que sutilmente van a modular la función que adopte cada una de ellas en el organismo. Y con estas reglas básicas: proteínas plegadas que interaccionan con otras proteínas, y que esas interaccionan con otras moléculas pequeñas, realmente somos capaces de explicar comportamientos “inteligentes”.

Podemos imaginar que tenemos una partícula que es capaz de identificar, por ejemplo, partículas de luz y comérselas, es decir esta partícula es capaz de decidir lo que quiere hacer y de hacerlo. Y esto es lo que pasa en el proceso de quimiotaxis. La explicación de este proceso es que en una bacteria ciliada o flagelada, el flagelo es una proteína motora y va girando y se mueve en cualquier dirección en ausencia de señales. La bacteria se mueve de manera aleatoria y va navegando y buscando lo que le interesa, supongamos que busca alimento, glucosa. En el momento en que la glucosa permea en el espacio periplásmico automáticamente se une a la proteína, llamada receptor de glucosa. Y se produce un cambio en la proteína y se une, y a su vez suelta otra proteína que se une a la base del cilio. En ese momento, el movimiento aleatorio para, por lo tanto mientras haya señal el cilio irá directamente hacia el gradiente de glucosa. Éste es un comportamiento claramente vivo, sin embargo es química. Las interacciones que se producen entre estas proteínas obedecen las leyes de la química. Y se están intentando entender el cerebro mediante esta aproximación. El mensaje es que esa química es la misma que la he hemos visto en los reactivos inorgánicos la diferencia es que hay más complejidad, más compartimentación, y más información.

Propuestas de lectura

Les haga unas propuestas de lectura de dos libros:

-¿Qué es la vida?, de Erwin Schrödinger, que fue uno de los padres de la física cuántica. En 1944 hizo una incursión en la biología. En ese momento aún no se conocía la estructura de Watson y Crick y él propuso que el material genético estaba transmitido por proteínas. Hoy sabemos que no es verdad, sin embargo muchos conceptos de mecánica estadística y de la física aplicados a la biología están descritos en este libro.

-The Way of the Cell, de Harold con información fascinante para intentar arañar el concepto de que quizás la química, o bioquímica, está detrás de procesos como la cognición.

Y por último un video: Recreación basada en datos científicos

Se trata de un video de la Universidad de Harvard sobre el funcionamiento del interior del cuerpo humano, que va cambiando de una célula y al espacio extracelular.

El video está hecho a partir de datos experimentales, es sólo una recreación.