Entrades amb l'etiqueta ‘bioquimica’

Temps, temperatura i vida

divendres, 23/02/2018

Diuen que som el que mengem. És força cert. La proporció de substàncies i components bioquímics al nostre cos no és massa diferent a la que trobem als aliments que prenem. Aproximadament el 60% del nostre pes és aigua (36 Kg. d’aigua en una persona que en pesi 60), un 16% són proteïnes, un 6% és de minerals diversos, i només tenim un 1% o menys de carbohidrats junt amb quantitats ínfimes de vitamines i altres compostos. La proporció de greix depèn de l’edat i el sexe, de manera que el seu percentatge, a les dones joves d’entre 20 i 39 anys, varia entre el 22% i el 33%; després creix una mica, de manera que l’interval, a les dones d’entre 60 i 79 anys, es mou entre el 25% i el 36%. Als homes joves d’entre 20 i 39 anys, la quantitat de greix és entre el 8% i el 20%; i després, entre els 60 i 79 anys, oscil·la entre el 13% i el 25%. De fet, la quantitat d’aigua i de tots els altres components és específica per a cada persona, en base a les seves característiques genètiques i al tipus de vida que fa i ha fet. El percentatge d’aigua al cos dels homes, per exemple, es troba entre el 50% i el 65%, i és superior al de les dones (que es troba entre el 45% i el 60%).

Fixem-nos en les proteïnes. La sisena part del nostre cos són proteïnes, aquestes grans molècules que ens fan viure i que ens mantenen vius. Sense proteïnes, no seriem. El nostre cos té uns 22.000 tipus diferents de proteïnes. Cada cèl·lula en té milers de diferents tipus, i totes juntes fan que la cèl·lula pugui fer la seva tasca específica. Les proteïnes són les petites màquines de tota cèl·lula: fabriquen energia dins de cada cèl·lula cremant carbohidrats amb oxigen de la nostra respiració, però també serveixen per al transport (l’hemoglobina és una proteïna), per a la catàlisi de reaccions bioquímiques (els enzims són proteïnes), per a la lluita contra les malalties (anticossos) i per a la transmissió de missatges (les hormones són també proteïnes). Algunes són estructurals, com la queratina i el col·lagen.

La imatge de dalt, que podeu trobar en aquesta web, explica el comportament dels enzims. Tot és química, i les reaccions facilitades pels enzims i que ens mantenen vius, també. Quan fa fred, per sota dels 10 graus de temperatura, tot va molt lent i les reaccions bioquímiques quasi s’aturen. L’activitat augmenta, en canvi, quan puja la temperatura, de manera que a la zona blava d’entre els 35 i 45 graus, les cèl·lules tenen un bon grau d’activitat bioquímica i viuen bé. Ara bé, què passa si pugem més la temperatura i ens posem entre els 47 i els 60 graus? Doncs que entrem a la zona vermella de la gràfica, on el que mana ja no és l’activitat química sino el procés de desnaturalització. En altres paraules: a partir dels 47 graus, l’increment d’activitat química afecta les pròpies proteïnes, que es descomponen (es desnaturalitzen) i deixen de funcionar. La temperatura de desnaturalització, entre els 45 i els 70 graus, depèn de cada tipus concret de proteïna i també de la pressió (vegeu, per exemple l’estudi a aquesta web). Però aquestes molècules tan grans sempre deixen de funcionar quan s’escalfen.

La vida sorgeix en condicions molt crítiques de temperatura, i de fet es desenvolupa bé entre els 20 i 45 graus, encara que trobem essers vius en una franja de temperatures que pot anar dels -18ºC als 50 ºC (per sota i per damunt hi pot haver encara vida, sobretot unicel·lular, però en estat latent). La temperatura és clarament un factor limitant de la vida. No és casualitat que els animals que més han evolucionat i que han adquirit un cert grau de consciència són aquells que anomenem de sang calenta, que han desenvolupat mecanismes metabòlics de regulació de la seva temperatura per tal que les proteïnes de les seves cèl·lules i del seu organisme es trobin en les millors condicions per a les funcions bioquímiques que tenen encomanades. Per cert, aquesta franja de treball acceptable, en graus Kelvin, és de 255 a 323 graus, en un Univers que té temperatures entre els zero i milions de graus. Quina casualitat, que siguem aquí!

Val a dir que tot això és cert tant pels animals com pels vegetals. Les proteïnes, totes elles formades per composició d’un conjunt de només 20 aminoàcids, són als animals però també als arbres i plantes. La fotosíntesi, per exemple, és fruit de determinades proteïnes vegetals. Per això, dir que cal menjar carn per mantenir la quantitat de proteïnes al nostre cos és un mite. Quasi tots els aliments que prenem tenen proteïnes, i és quasi impossible pensar en una dieta que ens aporti menys proteïnes que les que necessitem.

Els científics Aaaron Ciechanover, Avram Hershko i Irwin Rose van rebre el premi Nobel ara fa 14 anys per descobrir i explicar una conseqüència molt interessant de tot això. Com que al nostre cos hi ha proteïnes que constantment es desnaturalitzen, per efecte de la temperatura o per altres causes, les nostres cèl·lules han adoptat un sistema de recollida d’escombraries que va recollint totes aquestes proteïnes ja “gastades” i les trenca a trossets per després reciclar-les. Les proteïnes, sensibles a la temperatura, només funcionen durant un temps limitat. Poden existir només en un petit rang de temperatures i durant uns quants dies. Després, les cèl·lules les eliminen i en fabriquen de noves en base a les instruccions que codifica l’ADN. Fa poc, en Aaaron Ciechanover ho explicava molt gràficament: el procès ha de ser ràpid, perquè les proteïnes duren menys de 30 dies, de manera que cada mes, les proteïnes del nostre cos són noves i diferents a les que teníem el mes passat.

Ara, a finals de febrer, creiem que som els mateixos que el mes passat, però hem netejat i renovat (a més de l’aigua) totes les proteïnes de totes cèl·lules del nostre cos. La mateixa ment en un cos absolutament diferent a nivell molecular. Què som?

———

Per cert, en Roberto Emparán diu que l’aparició de la vida és la primera forma de complexitat en l’univers, que ha evolucionat fins a la consciència humana, que li permet començar a entendre’s a si mateixa. Però que pot ser que el següent estadi de consciència ja no sigui humà.

La bellesa de la simplicitat (2): l’ADN

divendres, 15/02/2013

ADN_Fil.jpg L’àcid desoxiribonucleic (ADN) és el fonament de la vida. L’ADN conté les instruccions genètiques necessàries per al desenvolupament de tots els éssers vius coneguts. Les molècules d’ADN codifiquen receptes per a poder fabricar les proteïnes i altres components de les cèl·lules. Podríem dir que l’ADN és un manual d’instruccions gegant, el manual del creixement i de la vida.

Vivim en un univers tridimensional. Fins i tot pot ser que tingui altres dimensions extres que no podem percebre. Podem caminar per la Terra, baixar al fons dels oceans i enviar naus que exploren l’Univers. Però la química de la vida utilitza i treu profit de les avantatges de les estructures geomètriques senzilles. Els intercanvis de nutrients, a les cèl·lules i als nostres budells, es fan a través de membranes bidimensionals. I una de les teories actuals sobre l’origen de la vida al nostre planeta ens explica que el primer ADN i els primers éssers vivents van poder aparèixer en les superficies (bidimensionals) de contacte entre l’aigua de mar i les roques en zones termals del fons dels oceans, on les molècules dissoltes en l’aigua podien reaccionar amb els materials de la superfície de les roques en unes condicions adequades de temperatura.

L’ADN té una estructura ben coneguda, de doble hèlix. Però de fet, és pràcticament unidimensional. És una molècula increïblement llarga, en comparació amb el gruix de la seva hèlix. Quan l’ADN dels cromosomes es desplega, pren la forma de filaments com el de la imatge amb longituds d’escala macroscòpica d’uns quants mil·límetres. El microscopi electrònic ens permet veure, descobrir i analitzar aquests filaments. L’hèlix de l’ADN se’ns mostra com unes vies de tren amb un gir de torsió continuat i fins i tot amb travesses. Són les vies del tren de la vida.

Perquè és unidimensional i seqüencial, el nostre codi genètic? Per què parlem de la seqüenciació del genoma humà? Per què l’ADN té aquesta estructura amb dues vies llarguíssimes i perfectament torçades en forma d’hèlix? Perquè aquesta molècula que guarda les instruccions de la vida no té forma de membrana bidimensional o d’agregat tridimensional? Per què cada un dels codis genètics individuals té un únic predecessor i un únic successor, en l’ADN? Podríem pensar que té aquesta forma perquè és la que serveix millor els seus objectius. Jo més aviat penso que és a l’inrevés: té aquesta forma perquè no en pot tenir cap altra. Si l’atzar no hagués generat aquesta increïble molècula, no existirien les reaccions bioquímiques i nosaltres no seriem aquí.

En poques paraules i simplificant, la síntesi de proteïnes a partir del codi genètic guardat a l’ADN es fa en dues etapes. En una primera fase, uns enzims anomenats polimerases d’ARN llegeixen trossos d’ADN i generen l’ARN, l’àcid ribonucleic. L’ARN (molècula d’hèlix simple que conté la transcripció d’un segment d’ADN) serà l’encarregat de la síntesi de proteïnes, en una segona fase. La meravella de tot plegat és que les polimerases d’ARN  han de cercar el tros d’ADN que cal transcriure i tot seguit anar-lo copiant sense destruir ni alterar la informació genètica de l’ADN. Ho fan molt fàcilment gràcies a l’estructura unidimensional de l’ADN: les polimerases d’ARN es mouen al llarg de les vies de l’hèlix de l’ADN de la mateixa manera que un tren viatja damunt les seves vies. Ho podeu veure a la imatge del final d’aquest article i en aquest vídeo. Si l’ADN fos bidimensional o tridimensional, seria molt fàcil perdre’s. En canvi, les vies de l’ADN porten les polimerases d’ARN al seu objectiu sense possibilitats d’error. Un camí pot ser tan llarg com vulgueu, però si no té trencalls no ens podem perdre. Això és el que contínuament està passant al nucli de les nostres cèl·lules. Però no penseu pas que polimerases d’ARN es mouen a gran velocitat al llarg de l’ADN. Processen (i avancen) uns 15 codis d’ADN per segon, la qual cosa equival a la velocitat de creixement d’un cabell humà. Aquesta és la velocitat basal del creixement i de la síntesi de proteïnes a tots els éssers vius. De fet, és encara més lenta perquè les polimerases d’ARN incorporen un sorprenent control de qualitat. De tant en tant (en mitjana, un cop cada 1000 codis genètics) s’adonen que han comés un error de transcripció. En aquest cas s’aturen, tornen enrere uns cinc o sis codis d’ADN, rectifiquen i corregeixen la transcripció. Tot seguit tornen a avançar per les vies helicoïdals de l’ADN, com si res no hagués passat. No és realment sorprenent?

De fet, també hi ha un altre detall interessant en tot això. L’hèlix de l’ADN podríem dir que gira cap a la dreta. El primer ADN que es va sintetitzar, fa milions d’anys, girava a la dreta. Es va anar reproduint sense parar, i ara resulta que tots els éssers vius tenim el codi genètic en molècules de ADN que giren a la dreta. Nosaltres, els gossos i gats, els insectes, els líquens i els bacteris, tots som descendents d’aquell primer ADN que girava a la dreta. Però la geometria ens diu que la imatge en el mirall de l’ADN és un “altre ADN” que també podria existir. Aquest altre ADN, l’ADN que giraria a l’esquerra (l’estèreo-isòmer del nostre ADN) donaria lloc a un altre tipus d’éssers vius: els animals i plantes del món de l’altra banda del mirall del conte d’Alícia. Podrem arribar a sintetitzar éssers “vius” amb molècules d’ADN diferents de les nostres? No penseu que és res de llunyà. Comencem a veure experiments que ja poden crear succedanis d’ADN com l’anomenat XNA.

L’Univers és tridimensional (com a mínim). Però molts canvis s’han fet o es faran gràcies a estructures geomètriques més simples, unidimensionals o bidimensionals. Són les anomenades varietats, en geometria. Així com el grafè (aquest gran llençol d’un àtom de gruix) és probable que acabi canviant la vida dels nostres néts, nosaltres som aquí perquè fa milions d’anys que van sorgir les primeres molècules d’ADN, amb estructura geomètrica unidimensional. És la bellesa de la simplicitat. Sense aquestes retorçades vies de l’ADN, copiar trossos del codi genètic seria pràcticament impossible i la vida no podria existir.
ADN_ARN.jpg