La lògica molecular de la vida

D’aquesta pàgina web hem agafat aquesta lectura. L’escrit és del bioquímic Albert Lehninger, un referent en el camp de la bioquímica, amb els seus Principis de Bioquímica

Els éssers vius estan integrats per molècules inanimades. Si aïllem aquestes molècules i les examinem d’una a una, podrem constatar que compleixen totes i cadascuna de les lleis físiques i químiques que regeixen el comportament de la matèria inerta. Malgrat això, però, els organismes vius posseeixen atributs extraordinaris que no presenten el conjunt de molècules inanimades.

Un dels atributs més destacat dels éssers vius és, potser, la seva complexitat i el seu alt grau d’organització. Posseeixen estructures internes intricades, que contenen moltes classes de molècules complexes. Es presenten, a més, en una varietat sorprenent d’espècies diferents. Per contrast, la matèria inanimada del seu entorn, representada per la terra, l’aigua i les roques, està constituïda, habitualment, per barreges casuals de compostos químics senzills, i la seva organització estructural és més aviat escassa.

En segon lloc, cadascuna de les parts components d’un organisme viu compleix un propòsit o funció específica. Això és cert, no només pel que fa a estructures intracel·lulars, com ara el nucli i la membrana cel·lular, sinó també per als compostos químics individuals de la cèl·lula, com són els lípids, les proteïnes i els àcids nucleics. En els organismes vius, és completament legítim preguntar-se, com és la funció d’una molècula determinada. En canvi, no té sentit plantejar aquesta pregunta en relació a la matèria inerta.

El tercer dels atributs és el fet que els organismes vius posseeixen la capacitat d’extraure, transformar i utilitzar l’energia del seu entorn, ja sigui en forma d’elements nutritius orgànics o com energia radiant procedent de la llum solar. Aquesta energia permet els organismes vius construir i mantenir les seves pròpies estructures, complexes i riques en energia, realitzar un treball mecànic com és el seu propi moviment o dur a terme un transport de substàncies a través de les seves membranes. Els organismes vius no es troben mai en equilibri amb ells mateixos ni amb el medi ambient que els envolta. Per altra banda, la matèria inanimada no utilitza l’energia amb la finalitat de mantenir la seva estructura o realitzar un treball; té una tendència a descompondre’s i a assolir al llarg del temps un estat més desordenat fins a establir un equilibri amb el seu entorn.

Però l’atribut més extraordinari dels organismes vius, és la seva capacitat de produir una rèplica exacta de si mateixos, propietat que pot considerar-se com la veritable quintaessencia de l’estat vital. El conjunt de la matèria inanimada que ens és familiar, no mostra la capacitat de reproduir-se, de generació en generació, en formes idèntiques en massa, forma i estructura interna.

Podem preguntar-nos ara: si els organismes vius estan compostos per molècules intrínsecament inanimades, com és que la matèria viva es diferencia, d’una manera tan radical, de la inerta, que també està constituïda per la mateixa classe de molècules inanimades? Per què els organismes vius són alguna cosa més que la suma de les parts inanimades?. Els filòsofs medievals haurien contestat que els organismes vius estan dotats d’una força vital misteriosa i divina. Però aquesta doctrina, que rep el nom de vitalisme, és una superstició i ha estat descartada per la ciència moderna. La meta bàsica actual de la bioquímica consisteix a determinar de quina manera el conjunt de molècules inanimades que constitueixen els organismes vius, s’influeixen mútuament per mantenir i perpetuar l’estat de vivència.

Les molècules que integren els organismes vius es regeixen per tots els principis químics familiars. A més exerceixen accions mútues, d’acord amb un altre conjunt de principis, als quals ens referim de manera col·lectiva, com a la lògica molecular de la vida.

Aquests principis no inclouen, necessàriament, cap llei o força física nova, o encara per descobrir. Han de considerar-se més aviat com un conjunt únic de <regles fonamentals>, que governen la naturalesa, la funció i les interaccions dels tipus específics de molècules presents en els organismes vius, a les que anomenarem biomolècules.

La composició química dels éssers vius és, qualitativament, molt diferent de la de l’entorn físic on viuen. La major part dels components químics dels organismes vius són composts orgànics de carboni, on els àtoms d’aquest element es troben units per enllaços covalents amb altres àtoms de carboni, hidrogen, nitrogen i oxigen.

Els compostos orgànics presents en la matèria viva, mostren enorme varietat, i la major part d’ells, són extraordinàriament complexos. Per exemple, encara en les més senzilles i petites de les cèl·lules, els bacteris contenen gran nombre de molècules orgàniques. Es calcula que el bacteri Escherichia coli conté al voltant de 5000 compostos orgànics diferents entre ells, unes 3000 classes diferents de proteïnes, i 1000 tipus diferents d’àcids nucleics.

A més, les proteïnes i els àcids nucleics són molècules complexes (freqüentment anomenades macromolècules) i només es coneix l’estructura d’unes poques. En l’organisme humà, per exemple, pot haver-hi fins a 100.000 proteïnes diferents. Cap de les proteïnes de E. coli és idèntica a alguna de les proteïnes trobades en l’home, encara que diverses actuïn de la mateixa manera. De fet, cada espècie d’organisme posseeix el seu propi conjunt de molècules proteiques i d’àcids nucleics químicament diferents. Atès que, és probable, hi hagi al voltant d’1.200.000 espècies d’organismes vivents, que en complexitat, van des de E. coli fins a l’organisme humà, es pot calcular que el conjunt de les espècies vivents, ha de contenir entre 1010 i 1012 tipus diferents de molècules proteiques, i unes 1010 classes diferents d’àcids nucleics.

Semblaria una empresa sense esperança, que els bioquímics intentessin aïllar, identificar i sintetitzar les diferents molècules orgàniques presents en la matèria viva!

És paradoxal, però, que la immensa diversitat de molècules orgàniques presents als organismes es pugui reduir a una, gairebé absurda, simplicitat bàsica. Això és degut al fet que totes les macromolècules de les cèl·lules estan constituïdes per molècules unitats, simples i menudes, de molt poques classes diferents, acordonades en cadenes llargues que contenen des de 50 a molts milers d’unitats.

Les proteïnes, per exemple, estan formades per cadenes de 100 o més restes d’aminoàcids, compostos menors d’estructura coneguda, units covalentment. En les proteïnes, només es troben 20 aminoàcids diferents, però estan ordenats en moltes seqüències diferents, de manera que formen nombrosos tipus de proteïnes. Així, les 3000 proteïnes o més, que hi ha a la cèl·lula d’Escherichia coli estan integrades tan sols, per 20 petites molècules diferents. Anàlogament, els 1000 o més àcids nucleics de la cèl·lula de E. coli, que són també molècules llargues i polimèriques, estan construïts a partir de conjunts de tan sols 4 unitats estructurals, els nucleòtids. A més, els 20 aminoàcids diferents, constituents de les proteïnes, i els 4 nucleòtids diferents, que integren els àcids nucleics, són idèntics en totes les espècies vivents, suggerint que tots els organismes vius descendeixen d’un avantpassat comú.

El reduït nombre de molècules unitat a partir de les quals estan constituïdes totes les macromolècules, posseeixen una altra sorprenent característica: desenvolupa més d’una funció a l’interior de les cèl·lules. Els aminoàcids no només són els maons per construir les proteïnes, també actuen com a precursors de les hormones, els alcaloides, les porfirines, els pigments i moltes altres biomolècules. Els nucleòtids no només constitueixen les unitats fonamentals dels àcids nucleics, sinó que actuen també com coenzims i molècules transportadores d’energia.

A partir del que hem dit, ja podem deduir alguns dels axiomes de la lògica molecular de la vida:

  • Atès que els milers de macromolècules presents en les cèl·lules estan construïdes únicament per unes poques molècules unitat, podem afirmar que en l’organització molecular de la cèl·lula existeix una simplicitat fonamental.

  • Com que aquestes molècules unitat són les mateixes en tots els organismes vius coneguts, podem deduir que tots els organismes vius provenen d’un avantpassat comú.

  • El fet que cada organisme tingui el seu conjunt distintiu d’àcids nucleics i proteïnes sorgeix un altre axioma: la identitat de cadascuna de les espècies és preservada per la possessió d’un conjunt distintiu de proteïnes i àcids nucleics.

  • En la versatilitat funcional d’aquestes biomolècules bàsiques podem percebre l’existència d’un principi fonamental d’economia molecular: les cèl·lules solament contenen les molècules més senzilles possibles, en el nombre mínim de tipus diferents, res més que les indispensables per dotar-les de l’atribut de la vida.

A.L. LEHNINGER: Bioquímica. 1981

 

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà Els camps necessaris estan marcats amb *