Capítulo 2: Base Química de la Vida

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1 Capítulo 2: Base Química de la Vida Dr. Fernando J. Bird-Picó Departamento de Biología Recinto Universitario de Mayagüez Química inorgánica El conocimiento de la química es esencial para estudiar y entender los procesos de vida en los organismos Para ello es importante conocer algo sobre la materia, y la química de compuestos inorgánicos Elementos y compuestos Los organismos se componen de materia Materia: ocupa espacio y tiene masa; esta compuesta de elementos. Elemento químico: Aquella sustancia que no puede ser reducida a otras más simples por reacciones químicas ordinarias sin perder su identidad Cada elemento tiene su símbolo químico: C, Ca, Se, Ag, Fe, Mg, Mn,, O, N Dr. Fernando J. Bird-Picó 1

2 Table 2.1 ay 92 elementos naturales, 25 de los cuales son esenciales para la vida y solamente cuatro (4) forman la mayoría (96%) de la masa corpórea de los organismos: Oxígeno, carbono, hidrógeno, y nitrógeno Además de éstos, hay otros elementos como el calcio, fósforo que se encuentran en menor abundancia, y otros solamente como elementos trazas: requeridos en cantidades minúsculas Fig. 2-4 Ejemplos de funciones que llevan a cabo ciertos elementos en organismos (a) Deficiencia de Nitrógeno (b) Deficiencia de Iodo Dr. Fernando J. Bird-Picó 2

3 Átomo: La unidad más pequeña del elemento que retiene sus propiedades químicas El átomo se compone de partículas subatómicas: Protones con carga positiva Neutrones sin cargas Electrones con carga negativa y muy pequeños (1/1800 de Prot-Neut) Número atómico: Cada elemento posee un número fijo de protones en el núcleo del átomo que establece las propiedades químicas del elemento. Se encuentra como suscrito al símbolo químico [ 6 C ] La Tabla Periódica ordena los elementos químicos por su número Figure 2.7 Tabla Periódica (con modelos de Bohr) First shell Second shell Third shell ydrogen 1 Lithium 3Li Sodium 11Na Beryllium 4Be Magnesium 12Mg Boron 5B Aluminum 13Al Carbon 6C Silicon 14Si Atomic mass Nitrogen 7N Phosphorus 15P 2 e Oxygen 8O Sulfur 16S Atomic number Element symbol Electron distribution diagram Fluorine 9F Chlorine 17Cl elium 2e Neon 10Ne Argon 18Ar Masa atómica de un átomo: Es un número que nos indica cuanta materia contiene el átomo: suma de protones, neutrones y electrones Se expresa en unidades de masa atómica (uma), conocida también como daltones. Se encuentra como superescrito al lado del símbolo químico [ 12 C ]: verdaderamente es Es cantidad relativa ya que toma en consideración la abundancia en la naturaleza de los isótopos de dicho elemento Dr. Fernando J. Bird-Picó 3

4 Isótopos Aquellas formas variantes de átomos de un mismo elemento Contienen el mismo número de protones (identidad química no se altera) y electrones, pero diferente número de neutrones ( 12 C, 13 C, 14 C] Se les llama radioisótopos Los radioisótopos son inestables y tienden a destruirse con el tiempo, en isótopos más estables, cambiando identidad química y emitiendo radiación en el proceso Ej. Protio, deuterio, tritio, uranio, etc. Isótopos del elemento Carbono Isótopos radioactivos (Radioisótopos) En la investigación biológica, los isótopos radioactivos se utilizan en diferentes aplicaciones: Calcular edad de fósiles Rastrear átomos en reacciones químicas de los procesos metabólicos En el diagnóstico de desórdenes médicos Tejido canceros o en la garganta Electrones Fuera del núcleo atómico Se mueven en orbitales organizados alrededor del núcleo atómico Electrones que poseen el mismo nivel de energía configuran una capa electrónica Dr. Fernando J. Bird-Picó 4

5 Aquellos electrones localizados más lejos del núcleo atómico poseen mayor cantidad de energía que los más cercanos al núcleo. Los electrones de valencia son aquellos electrones que ocupan la capa de valencia y los responsables de los enlaces con otros átomos para producir moléculas Los cambios en los niveles de energía en los electrones son importantes en las transferencias energéticas que se llevan a cabo en los organismos Figure 2.6 (a) A ball bouncing down a flight of stairs provides an analogy for energy levels of electrons. Third shell (highest energy level in this model) Second shell (next highest energy level) First shell (lowest energy level) Atomic nucleus Energy absorbed Energy lost (b) Orbitales Atómicos Dr. Fernando J. Bird-Picó 5

6 El comportamiento químico de un átomo es determinado por el número y distribución de sus electrones de valencia Cuando un nivel de valencia se encuentra incompleto, el átomo tiende a perder, ganar y/o compartir electrones con otros átomos para formar moléculas o compuestos. Un compuesto químico consiste de átomos de dos o más elementos [ 2 O] Los átomos se combinan en una taza o razón fija de acuerdo a su capa de valencia Los átomos de un mismo elemento se pueden unir para formar una molécula [ 2, O 2 ] Figure Átomos de idrógeno (2 ) Molécula de idrógeno ( 2 ) Fórmula química: forma compacta de describir la composición química de una sustancia: Fórmula simple (símbolo químico y número asociado de los átomos) Fórmula molecular (espacio ocupado) Fórmula estructural (demuestra el arreglo físico de los átomos - -O- en vez de --O) Dr. Fernando J. Bird-Picó 6

7 Figure 2.10 Name and Molecular Formula (a) ydrogen ( 2 ) (b) Oxygen (O 2 ) (c) Water ( 2 O) (d) Methane (C 4 ) Electron Distribution Diagram O O C O Lewis Dot Structure and Structural Formula Space- Filling Model Masa molecular La suma de las masas atómicas de los átomos que componen una molécula Un mol es el equivalente en gramos al peso molecular de la molécula en cuestión (Glucosa: C 6 12 O 6 -?) Número de Avogrado: 6.02 x La medida del mol nos permite comparar átomos y moléculas de masas muy dispares. Enlaces químicos Fuerzas de atracción que mantienen los átomos de un compuesto unidos entre sí ay dos tipos principales de enlaces químicos: Enlaces covalentes Enlaces iónicos Energía de enlace: La energía necesaria para romper un enlace químico Enlaces covalentes Comparten electrones entre átomos Cada átomo ha satisfecho su capa de valencia en el proceso Compuesto covalente Aquel compuesto que consiste principalmente de enlaces covalentes Ej: 2 El enlace puede ser sencillo, doble, o triple Dr. Fernando J. Bird-Picó 7

8 Enlaces Covalentes: comparten e- Número de enlaces covalentes que pueden formar algunos átomos Los enlaces covalentes pueden ser polares o nó polares [ 2 O, 2 ] Electronegatividad: medida de la fuerza de atracción que ejerce el átomo sobre los e- en los enlaces químicos Si la electronegatividad es igual en ambos átomos, la forma de la molécula se mantiene simétrica en cuanto a orbitales de e- se refiere. Ejemplo: 2 Si no es igual, entonces el átomo más electronegativo tiende a halar los e- del menos electronegativo y crea carga parcialmente + en éste último Dr. Fernando J. Bird-Picó 8

9 Figure 2.14 δ Forma y Función Molecular Water ( 2 O) Ammonia (N 3 ) δ ydrogen bond La forma de una molécula usualmente es muy importante a la función que ejerce La forma de una molécula esta determinada por la posición de sus orbitales de valencia En un enlace covalente, los orbitales s y p pueden hibridarse, creando formas moleculares específicas Figure 2.15 Geometría molecular s orbital z (a) ybridization of orbitals Space-Filling Model Water ( 2 O) Methane (C 4 ) x y Three p orbitals Ball-and-Stick Model O C Four hybrid orbitals Tetrahedron ybrid-orbital Model (with ball-and-stick model superimposed) Unbonded electron pair O C Las moléculas biológicas se reconocen e interaccionan entre sí de forma específica sobre la base de su forma molecular Moléculas con formas similares pueden tener efectos biológicos similares (b) Molecular-shape models Dr. Fernando J. Bird-Picó 9

10 Figure 2.16 Natural endorphin (a) Structures of endorphin and morphine Natural endorphin 2014 Pearson Education, Inc. Brain cell Endorphin receptors Key Carbon ydrogen (b) Binding to endorphin receptors Morphine Morphine Nitrogen Sulfur Oxygen Ión Aquella partícula que posee una o más unidades de carga eléctrica Es el resultado de la pérdida o ganancia de electrones en los átomos Cationes iones con carga positiva Aniones iones con carga negativa Los cationes y aniones están envueltos y son importantes en procesos biológicos, como la contracción muscular, transmisión del impulso nervioso, etc. Los iones de sodio, potasio y cloruro son esenciales para la estimulación nerviosa de esta fibra muscular Enlaces iónicos: Formados por la atracción entre cationes y aniones Un compuesto iónico es una sustancia que consiste de cationes y aniones enlazados entre sí Ej. Na + y Cl - Dr. Fernando J. Bird-Picó 10

11 Fig Enlace Iónico idratación Na Cl Na Cl Na Átomo de Sodio Cl Na + Átomo de cloruro Ión de sodio (catión) Cl Ión cloruro (anión) Cloruro de Sodio (NaCl) NaCl verdaderamente no es una molécula; en su forma cristalina cada átomo de sodio (Na) está rodeado de seis átomos de cloruro (Cl) aunque la razón es de 1:1 Fig δ Enlaces de hidrógeno: Tendencia a formarse entre un átomo con carga parcial negativa y un hidrógeno unido covalentemente a un átomo de oxígeno o nitrógeno Se forman y rompen con facilidad Cada uno de ellos es débil, pero cuando hay miles de ellos actuando a la vez resultan ser fuertes y estables. Agua ( 2 O) Amonia (N 3 ) δ Enlace de idrógeno Dr. Fernando J. Bird-Picó 11

12 Otras interacciones entre átomos Fuerzas de van der Waals: cuando las moléculas se encuentran cercanas unas a otras, se atraen debido a interacciones de nubes de e- Interacciones hidrofóbicas: entre grupos de moléculas no polares= estas moléculas se agrupan entre sí y son insolubles en agua. Los enlaces de del agua actúan entre sí y arrinconan a estas moléculas no polares. Ejemplo: aceite y agua Las reacciones químicas en organismos: Se describen por ecuaciones químicas Los reactivos se escriben a la izquierda Los productos se escriben a la derecha Las reacciones pueden proceder de forma simultánea en ambas direcciones En un equilibrio dinámico, las tasas de reacción en ambas direcciones es igual RedOx Muchas de las transformaciones de energía en las células envuelven la transferencia de electrones de una sustancia a otra (respiración celular, fotosíntesis, etc.) Estas reacciones se les conocen como oxidación-reducción, o simplemente reacciones redox 6 CO C 6 12 O O 2 Oxidación: proceso químico en el cual un átomo, ión o molécula pierde o dona e- Reducción: proceso químico en el cual un átomo, ión o molécula gana o acepta e- Ambos procesos pueden ocurrir simultáneamente Dr. Fernando J. Bird-Picó 12

13 Enmohecimiento: 4 Fe + 3 O 2 4 Fe O 2- Los e- no se remueven fácilmente de los compuestos covalentes, a menos que se remueva el átomo por completo Oxidación en las células: remueve, átomo del compuesto Reducción en las células: acepta, átomos del compuesto Dr. Fernando J. Bird-Picó 13