ge.01a. - Bases moleculares de la vida by Felipe Valenzuela H.

Biología para el Estudiante – Tema 1 – Bases Moleculares de la Vida © Profesor Felipe Valenzuela Huerta 2012

Biología para el Estudiante

Tema 1

Bases Moleculares de la Vida

En cada ser vivo, millones de cambios ocurren en cada instante. Es cosa de mirar nuestro entorno: ya no tenemos el mismo tamaño ni apariencia de hace algunos años, probablemente ha cambiado nuestro peso y talla. Incluso ocurren cambios mucho más inmediatos y cotidianos: mientras lees estas líneas, tus ojos se están moviendo siguiendo el texto, posiblemente te hayas movido en tu puesto o hayas oído alguna instrucción o cualquier otro “cambio” en el ambiente. Estos cambios involucran complejas reacciones a nivel muy microscópico, como el intercambio de nutrientes, la utilización de los mismos o la remoción de los desechos producidos. Piensa en un automóvil: necesita energía, para lo cual ocupa combustible y produce desechos, que se liberan por el tubo de escape. ¿Cómo podemos explicar estos eventos en un animal tan complejo como el Ser Humano? ¿Qué conocimientos debemos tener para explicar estos fenómenos, tan cotidianos como asombrosos? ¿Dónde debería comenzar el estudio de los seres vivos?

Parte A: Los seres vivos y las Leyes Universales A.1.- Seres vivos como integrantes del Universo Los seres vivos somos entidades únicas en el orden universal. Desde los más simples a los más complejos, sólo los seres vivos somos capaces de interactuar intencionadamente con el medio ambiente, con el fin de obtener materia y energía que nos permita no sólo mantener la vida, sino que también perpetuarla.

Una euglena, organismo unicelular de agua dulce, desarrolla los mismos fenómenos químicos que un ser complejo como una vaca o un elefante.

Esta flor se adapta a las condiciones ambientales. Abre o cierra sus pétalos, crece y mueve savia en sus tallos.

¿Cómo podemos definir a un ser vivo? La definición de vida es una tarea compleja: la vida como concepto dependerá en gran parte de los criterios morales, religiosos y culturales de los pueblos. Incluso, si intentamos el ejercicio de definir la vida, tendremos que considerar el punto de vista religioso, antropológico, social, y tantos otros que harían imposible avanzar tranquilamente en nuestra tarea. Sin embargo, en ciencia podemos establecer características de los seres vivos, y allí sí que lograremos consenso. ¿Qué hacen los seres vivos que no hagan los seres no vivos? Hay algunos puntos importantes. Por ejemplo, sólo los seres vivos se reproducen, con todo lo que ello implica (nacimiento, desarrollo, crecimiento y muerte). Además, como ya lo dijimos, sólo los seres vivos interactúan intencionadamente con su ambiente para realizar complejas reacciones. A eso llamamos metabolismo: al conjunto de reacciones que permiten la mantención de la vida. Resulta también evidente que sólo los seres vivos se desplazan para realizar sus funciones vitales. Este desplazamiento es evidente en los animales superiores, pero ¿Existe movimiento en vegetales, hongos y otros seres vivos? ¡Por supuesto! El movimiento es otra de las características de los seres vivos. Movimiento de sustancias a través de las membranas, movimiento de sangre en los animales, de savia en los vegetales, movimientos ciliares en protozoos. Y otra característica un tanto menos evidente es la capacidad de responder a estímulos del ambiente con un fin adaptativo. Por ejemplo, los seres humanos somos capaces de modificar nuestra vestimenta frente a cambios climáticos. Los vegetales son capaces de modificar su estructura para recibir una mayor cantidad de luz solar. Las bacterias tienen reacciones de escape al enfrentarse a medios agresivos para ellas. Esto es la irritabilidad, la capacidad de percibir estímulos del ambiente y de generar una respuesta adaptativa.

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Los seres vivos pertenecemos al Universo, y por lo tanto estamos sometidos a las leyes que rigen a toda la materia. En ese sentido, hay una ley universal que nos afecta directamente: toda la materia se encuentra formada por átomos, y como los “seres vivos” somos entes materiales, estamos formados de átomos. Cada átomo consta de dos zonas: la corteza, exterior, en donde giran a una velocidad indeterminada los electrones, y un núcleo central en donde se encuentran los electrones y usualmente los neutrones. Recuerda que en algunos casos puede no haber neutrones. Un dato interesante, que puedes comentar con tu profesor de química, es el que el núcleo de un átomo representa el 99.97% de la masa atómica, pero sólo una diez trillonésima parte de su volumen. ¡Impresionante! A.2.- Características de los átomos

Se muestra el átomo de carbono con sus seis protones y seis electrones. Seis neutrones lo completan.

Se pueden diferenciar los átomos unos de otros, puesto que existen numerosos tipos distintos de ellos. En la naturaleza, encontramos en estado libre 92 tipos distintos de átomos. ¿En qué se diferencian? Uno de esos criterios (tal vez el más importante) es el número atómico. Este corresponde al número de protones que cada átomo presenta. En un átomo en equilibrio eléctrico el número de protones es igual al número de electrones, pero no siempre existe ese equilibrio. El número atómico permite diferenciar a los elementos. Por ejemplo, sólo los átomos de hidrógeno tienen 1 protón, sólo los átomos de carbono tienen 6 protones, sólo los átomos de oxígeno tienen 8 protones. Puedes ver más ejemplos en tu tabla periódica de los elementos químicos. El número másico es el resultado de sumar la masa de los protones y de los neutrones, ya que como vimos antes la masa de los electrones no es significativa. Se da el valor de 1 a la masa de cada protón y de cada neutrón. En el esquema de la izquierda, puedes notar que el número másico del carbono será de… ¡12! Pues presenta 6 protones y 6 neutrones.

Si el número atómico del potasio es 19, y su número másico es 39, ¿Qué número de protones, neutrones y electrones tendrá? Con la evidencia obtenida hasta ahora, cabe hacerse la siguiente pregunta. ¿Es posible que dos formas del mismo elemento tengan el mismo número de protones y electrones, pero un número distinto de neutrones? Si lo analizamos detenidamente, notaremos que en estas condiciones no se altera el equilibrio eléctrico del elemento. ¿Qué valor(es) se modifica(n)? Es posible que átomos del mismo elemento tengan un número distinto de neutrones. Esto hará que mantengan su número atómico pero varíe su número másico. En estos casos, hablamos de isótopos. A la izquierda vemos ejemplos de isótopos del hidrógeno. Cuando nosotros consideramos el número másico de todos los isótopos de un elemento, y calculamos un promedio en función del porcentaje de isótopos del elemento en el universo, obtenemos un valor llamado masa atómica. La masa atómica del carbono es de 12.01, sin embargo el número másico visto anteriormente es de 12. Esto quiere decir que existen isótopos del carbono que tienen más de 6 neutrones, aunque son minoría, pero influyen en que el promedio de los números másicos de los isótopos sea 12.01.

¿Has escuchado hablar del carbono 14? ¿Qué crees que sea? ¿En qué se usa? Averigua.

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Algunos de los elementos más importantes en los seres vivos.

Elemento

Símbolo

Masa atómica

Abundancia en los seres vivos (%)

Oxígeno

16.0

62.0

Carbono

12.0

Hidrógeno

Nitrógeno

Elemento

Símbolo

Masa atómica

Abundancia en los seres vivos (%)

Azufre

32.1

0.25

20.0

Potasio

39.1

0.25

1.0

10.0

Cloro

35.5

0.2

14.0

3.3

Sodio

23.0

0.1

Calcio

40.1

2.5

Magnesio

24.3

0.07

Fósforo

31.0

1.0

Hierro

55.9

0.01

A.3.- Niveles energéticos de los electrones Sabemos que los electrones orbitan el núcleo atómico, y que esos electrones difieren en número variable de un elemento a otro. Al igual que los planetas en torno al sistema solar se ordenan en órbitas, de la misma manera los electrones deben ordenarse alrededor del núcleo. Los electrones giran en los llamados orbitales, desde el más cercano al más lejano. Los electrones más cercanos al núcleo son los que presentan menores niveles energéticos. Imagina que tienes una piedra atada a una soga, y la haces girar a tu alrededor. Si la haces girar con poca energía, la piedra girará cerca del cuerpo; si la haces girar con mucha energía, lo hará más lejos del cuerpo. El mismo principio se aplica en los orbitales atómicos. Un orbital es en realidad una función matemática compleja, que indica la posibilidad de que en un instante dado se encuentre en ese lugar un electrón.

En tus clases de química profundizarás en esos conceptos. Biológicamente, la importancia de los orbitales radica en que conociendo un poco de ellos, podemos saber la forma en que se “mezclan” los elementos para formar la gran diversidad de sustancias del Universo. En el primer nivel energético “caben” dos electrones. Cuando un orbital se llena, el átomo se encuentra estable. El hidrógeno tiene un protón, por lo tanto un electrón. Sólo tendrá parcialmente ocupado el primer orbital. En el segundo orbital “caben” 8 electrones. Si pensamos en el carbono, que tiene 6 electrones, tendrá 2 en el primer orbital, que estará lleno, y dejará 4 para el segundo orbital, que se encontrará parcialmente ocupado. El oxígeno tendrá 6 electrones en el segundo orbital. Las propiedades de los átomos de “mezclarse” con otros dependen de la configuración electrónica de su orbital más lejano al núcleo. Esta es conocida como orbital de valencia, y los electrones que ocupan ese orbital reciben el nombre de electrones de valencia. Los átomos que presentan orbitales llenos, se conocen como elementos nobles. Por ejemplo el helio presenta 2 electrones, por lo que su primer orbital estará lleno. El helio es un elemento noble.

¿Por qué crees que los elementos con orbitales completos reciben el nombre de gases nobles o inertes?

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A.4.- Formación de sustancias: el enlace químico Como intuirás, no todo el universo está formado por 92 elementos. Sin ir más lejos, una de las sustancias más abundantes en el mundo es el agua, y sabemos que está formada por la “mezcla” de dos elementos. En realidad, esos elementos no están mezclados, sino unidos mediante un enlace químico. Para establecer enlaces, es importante que los elementos que se enlazarán tengan espacios disponibles en sus orbitales más lejanos.

Representación de molécula de agua.

una

Usemos algunos ejemplos ya comentados. El carbono tenía 4 electrones en su último orbital, y en ese orbital puede haber 4 electrones más. El hidrógeno tenía sólo un electrón en su único orbital, y en ese orbital caben dos. Tanto al hidrógeno como al carbono le “faltan” electrones en su orbital de valencia. En esas condiciones, ellos pueden formar enlaces. A.4.1- El enlace iónico Es un tipo de enlace formado cuando un átomo cede electrones a otro, que los recibe. Es importante para esto la electronegatividad de los átomos (en general son más electronegativos aquellos cercanos a los gases nobles, como estudiarás en química). Si un enlace iónico se separa, sus componentes formarán iones. 1. ¿Qué gana el sodio de la imagen lateral perdiendo un electrón? ¿Por qué luego aparece con carga positiva? 2. ¿Qué ocurre con el electrón perdido? 3. ¿Cuál será el número atómico del “nuevo sodio”? ¿Y su número másico? 4. Para un elemento noble, ¿Sería conveniente perder un electrón?

En un cristal de cloruro de sodio, los enlaces crean una estructura tridimensional muy ordenada. Cada sodio queda rodeado por seis átomos de cloro, y cada cloro queda rodeado por seis átomos de sodio, dando su aspecto geométrico característico.

A.4.2- Enlace covalente

En este ejemplo, ambos átomos de oxígeno comparten los electrones en rosado.

Se da entre elementos cercanos en la tabla periódica. SI elementos cercanos reaccionan para formar un compuesto, ninguno cederá o recibirá, sino que deciden “compartir” sus electrones con el fin de completar sus orbitales. En el enlace covalente entre los mismos elementos, la diferencia de electronegatividad es cero, y el enlace es no polar. Si la electronegatividad difiere, el enlace covalente será polar. Los electrones pasarán más tiempo cerca del elemento más electronegativo, desplazando la nube electrónica hacia ese polo. Por esto, existirá una ligera carga en un polo que se contrarrestará con la del polo opuesto. ¿Qué ejemplos puedes citar de cada caso?

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A.4.3.- Enlace puente hidrógeno Algunas moléculas pueden tener polos. Es posible, entonces, que el polo negativo de una molécula se sienta atraído por el polo positivo de otra molécula. Esto pasa por ejemplo en el agua, donde el hidrógeno se siente atraído por el oxígeno de otra molécula, estableciéndose interacciones débiles entre ellos. Sin embargo, la suma de todas estas interacciones es lo suficientemente fuerte para permitir la tensión superficial y la capilaridad. Este tipo de enlace es una fuerza entre las moléculas, y no un enlace verdadero. Las interacciones entre el hidrógeno y el oxígeno en el agua.

En el caso del agua, el enlace puente hidrógeno no es lo suficientemente fuerte como para formar un sólido, por lo que en estado natural el agua es líquida. Y es lo suficientemente débil como para permitir que se vaporice a bajas temperaturas. Piensa en esto mismo comparado con los cristales de sal. ¿Qué diferencias existirán? A.4.4.- Fuerzas de Van del Waals

Esta lagartija puede subir gracias a las fuerzas e interacciones débiles.

Notas:

Incluso moléculas apolares presentarán diversas regiones con cargas eléctricas locales. Debido al constante movimiento de electrones, estos no estarán homogéneamente distribuidos siempre. Estos cambios dinámicos de zonas positivas y negativas generan las llamadas interacciones de Van der Waals, que ocurren sólo entre átomos o moléculas que están muy juntos unos a otros. Estas fuerzas pueden influir en la forma de las proteínas, o en las interacciones entre algunos animales y su entorno.

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Parte B: La importancia del agua para los sistemas vivos El agua es, probablemente, el compuesto más importante para los seres vivos. Hay casi un consenso en que la vida se originó en el agua. ¿Qué particularidades presenta el agua que permite la mantención de la vida? ¿Por qué los científicos asocian la presencia de agua en otros planetas con la posibilidad de encontrar en ellos vida? Además de su particular enlace covalente polar, hay otras propiedades importantes que analizaremos a continuación. B.1.- Propiedades emergentes del agua B.1.a. Cohesión

Los enlaces puente hidrógeno se forman y destruyen a cada instante. Esto le confiere estabilidad al total del agua.

Debido a los puentes hidrógeno, las moléculas de agua se agrupan unas con otras. Pero, debido a lo débiles que éstos son, también se separan continuamente. Los enlaces puente hidrógeno son 20 veces más débiles que los enlaces covalentes. En cada instante, una molécula de agua se acerca a una y a otra, en un constante vaivén. Se forman y destruyen enlaces constantemente. En otras palabras, en un instante determinado una porcentaje de moléculas de agua se encuentran unido a otras y otro porcentaje no. Aunque, colectivamente, los puentes hidrógeno permiten mantener a todas las moléculas de agua unidas en un fenómeno llamado cohesión. Estas fuerzas de cohesión permiten explicar el transporte de agua y nutrientes en contra de la fuerza de gravedad en las plantas. ¿Cómo sube el agua desde las raíces hasta las hojas, si los árboles no tienen corazón? La fuerza de cohesión del agua es responsable de los fenómenos de capilaridad, adhesión y de tensión superficial.

1. 2. 3. 4.

Preguntas relacionadas ¿Cómo podrías definir el concepto de capilaridad? Explica por qué razón un papel celofán saturado de agua se puede pegar a una ventana Las “mulitas” son capaces de flotar en el agua. ¿Qué ventajas les supone poseer largas patas curvadas para lograr su desplazamiento? ¿Qué ocurrirá con los puentes hidrógeno en la medida que varía la temperatura? Fundamenta tu respuesta.

B.1.b. Moderación de la temperatura El agua puede retener calor del ambiente durante el día, y liberarlo durante la noche. Este recurso fue ampliamente usado por las culturas precolombinas del norte de Chile. Recordemos que el calor puede definirse como la frecuencia de choques de las moléculas de una sustancia. A mayor calor, mayor frecuencia de choques. El frío, en cambio, es ausencia de calor. La temperatura es la medición que se hace de esa energía cinética (del movimiento) de las partículas. El calor siempre pasará desde un cuerpo con mayor frecuencia de choques a uno de menor frecuencia de choques. Eso es transferencia de calor. Las escalas de medición más usadas son los grados Celsius y Kelvin, también llamadas escalas centígrada y absoluta, respectivamente. Es necesario además incorporar el concepto de caloría, que es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1g de agua en 1°C. Una kilocaloría es referida a 1000g. Calor específico El calor específico está definido como la cantidad de calor requerida para modificar en 1°C la cantidad de 1g de esa sustancia. Así, el calor específico del agua será igual a 1. Comparado con otras sustancias, es un calor muy alto. En el fierro es apenas la décima parte. En términos prácticos, el agua se calienta o se enfría 10 veces más lento que el metal.

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Lo anterior se debe a los puentes hidrógeno. Cuando el agua se enfría, se forman puentes. Cuando se calienta, se liberan puentes. Si se aporta poco calor a un gramo de agua, pocos puentes se romperán, y la energía cinética del agua permanecerá baja. En consecuencia, para aumentar su energía cinética, y por lo tanto su calor, se necesitará grandes cantidades de calor.

Modelo de lo que sucede con las moléculas de agua según el calor contenido en ellas.

Si el agua absorbe calor durante el día, aumentará su energía cinética y ésta será liberada cuando el ambiente pierda calor. Compara las variaciones diarias de temperatura entre ciudades costeras y ciudades de los valles, y notarás el importante efecto que tienen las grandes masas de agua en la regulación de la temperatura.

El sudor es un efectivo mecanismo de regulación térmica. ¿Por qué?

Calor de vaporización La temperatura es la cantidad de energía promedio de las moléculas de una sustancia. Esto implica que habrá moléculas con mayor y menor velocidad. En cualquier momento, algunas moléculas de un líquido pueden moverse a gran velocidad, haciendo que estas abandonen el líquido y entren al aire. Esto es la vaporización. Si aumento la energía cinética de las partículas de un líquido, una mayor cantidad de él será vaporizado. El calor de vaporización es la cantidad de calor que un líquido debe absorber para que un gramo de ese líquido se transforme en vapor. Nuevamente, por los puentes cruzados el agua tiene un alto calor de vaporización, cerca de 580 calorías, el doble que el alcohol. Como las partículas que se evaporan son las superiores, el líquido que permanece se mantiene más frío. Este fenómeno ayuda a los seres vivos a mantenerse frescos, mediante la evaporación de agua. Piensa en el sudor cuando ejercitas. Es un claro ejemplo de aquello. En ambientes calurosos y húmedos, la sensación de desagrado es mayor pues el aire, saturado de agua, dificulta la evaporación del sudor. B.1.c. Aislación de masas de agua mediante el hielo El hielo flota. Es una de las poquísimas sustancias (y la única sustancia pura) en donde el estado sólido es menos denso que el líquido. Esto permite que, en ambientes muy fríos, el agua congelada se concentre en la superficie, evitando el congelamiento hacia inferior y permitiendo así la vida. ¿Qué pasaría si todo el océano o los lagos se congelaran? Durante el verano, apenas se derretirían unos pocos metros de su superficie, sólo aquellos donde llega la radiación solar.

El hielo flota.

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El hielo actúa como un excelente asilante evitando el congelamiento total de esta laguna.

B.1.d. El solvente de la vida Un líquido que es una mezcla completamente homogénea de dos o más sustancias es llamado una solución. El agente que disuelve se llama solvente, y la sustancia que es disuelta es llamada soluto. Una solución acuosa es aquella en que el agua es el solvente. El agua, debido a su polaridad, es un excelente solvente para múltiples sustancias. En el caso de la sal, la dilución de la misma es permitida por la particular orientación que toman los polos del agua con respecto a los aniones cloro o los cationes sodio. De una manera similar, compuestos mucho más grandes pueden ser disueltos. Sin embargo, no todas las sustancias son capaces de ser diluidas. El algodón es un compuesto hidrofílico, útil para usar en toallas. ¿Qué problema presentará el algodón para ser usado en la ropa deportiva?

Compuestos hidrofílicos Son aquellos que presentan “amor por el agua”. Algunas sustancias pueden incluso ser insolubles, pero no por ello pierden su afecto. Por ejemplo, el algodón es capaz de atraer el agua y por lo tanto es ideal para confeccionar toallas; sin embargo, éstas no se desintegran al lavarlas en la lavadora. Lo mismo pasa con los conductos colectores de agua de los vegetales. Si una sustancia es hidrofílica, pero no se disuelve en el agua puede formar un coloide, un gel, definido como una suspensión estable de pequeñas partículas en un líquido. El contenido citoplasmático es un coloide.

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Parte C: Moléculas orgánicas y sus subunidades Prácticamente el 99% de nuestra masa está formada por la combinación de sólo 4 tipos de átomos, carbono, hidrógeno, oxígeno e hidrógeno. La famosa sigla CHON. Los compuestos más importantes comparten el estar formado por átomos de carbono. Los compuestos que poseen carbono (salvo escasas excepciones) reciben el nombre de compuestos orgánicos. Con mayor precisión, este término se refiere a aquellos compuestos formados al menos por carbono e hidrógeno. Los compuestos que carecen de carbono, o bien están formados de carbono pero sin hidrógeno, reciben el nombre de compuestos inorgánicos. Estos compuestos, sin embargo, son fundamentales para el desarrollo de la vida. El agua, por ejemplo, es un componente inorgánico obligado de todos los sistemas vitales. Para el desarrollo adecuado de la vida, deberán interactuar compuestos orgánicos e inorgánicos en un constante flujo e intercambio de materia.

C.1.- El carbono, el átomo central de la vida. El desarrollo de la vida sería imposible sin la gran versatilidad del átomo de carbono. Este posee dos niveles energéticos, y su nivel más externo está ocupado por 4 electrones de los 8 posibles. Esto implica que en un enlace covalente el carbono puede formar enlaces con hasta 4 átomos diferentes. En los sistemas biológicos, estos átomos normalmente son hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre y el carbono mismo. El carbono puede formar enlaces con una gran diversidad de formas, cadenas, anillos, cadenas ramificadas y más. Compuestos en base a carbono. Anillos, cadenas…

C.2.- Isómeros moleculares Son moléculas que tienen igual fórmula molecular, pero distinta orientación espacial. La fructosa, la galactosa y la glucosa comparten su fórmula, pero difieren en la orientación de sus átomos. Existen los isómeros estructurales, que comparten igual fórmula pero distinto arreglo de los átomos (como la glucosa y la fructosa), y por lo tanto tienen efectos y acciones diferentes en los organismos. Los estereoisómeros son moléculas con los átomos ordenados de la misma manera, pero con un ordenamiento distinto en el espacio. Pueden ser geométricos u ópticos. Los geométricos pueden tener diferentes propiedades físicas, pero en general tienen similares propiedades químicas. La glucosa y la galactosa son ejemplos de ello. Los isómeros ópticos son no superponibles. Normalmente tienen propiedades físicas y químicas similares, pero los receptores de membrana y las enzimas son capaces de distinguir entre ellos. Usualmente, uno de ellos es biológicamente activo y el otro no, aunque existen excepciones. Existe el antecedente de la talidomida en la década del 1960.

Imagen especular, superponible.

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C.3.- Los grupos funcionales Las reacciones químicas implican romper y formar enlaces químicos. Así, se pueden transformar moléculas complejas en simples, y viceversa. Muchas de estas moléculas complejas contienen grupos de átomos con propiedades químicas características. Estos grupos de átomos se conocen como grupos funcionales, e incluyen al hidroxilo, carbonilo, carbohilo, amino, sulfidrilo y grupos fosfato. Los compuestos complejos pueden tener más de un grupo funcional en su estructura. Estos grupos funcionales son hidrofílicos. Excepto por el grupo fosfato, son compuestos polares y por lo tanto aumentan la solubilidad de los compuestos a los que están adheridos. Profundizarás sobre los grupos funcionales en otras áreas del aprendizaje. Los grupos funcionales tienen roles específicos en el metabolismo celular. Por ejemplo, el grupo fosfato es importante en la energética celular. El sulfidrilo es importante en las proteínas, pues en ellas se forma el enlace de puentes disulfuro.

Algunos ejemplos de grupos funcionales. C.4.- Monómeros y macromoléculas Así como los átomos pueden unirse formando moléculas, las moléculas también pueden unirse formando macromoléculas. Las unidades pequeñas que las forman (moléculas simples) reciben el nombre de monómeros. Las macromoléculas son entonces muchos monómeros unidos, o dicho de otra manera, son polímeros. Las macromoléculas orgánicas están representadas por los siguientes grupos: proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos.

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Macromoléculas, sus subunidades y funciones.

Macromolécula

Subunidad (es)

Función

Glucosa (monosacárido)

Aporte energético y almacenamiento

Almidón, glucógeno (polisacáridos)

Glucosa

Almacen energético

Celulosa (polisacárido)

Glucosa

Componente de las pared celular de las plantas

Quitina (polisacárido)

Glucosa modificada

Pared celular de fungies, exoesqueleto de insectos y otros similares.

Globulares

Aminoácidos

Catabolismo

Estructural

Aminoácidos

Soporte y estructura

Grasas

Glicerol y tres ácidos grasos

Almacén energético

Fosfolípidos

Glicerol y dos ácidos grasos más fosfato

Componente celulares

Esteroides

Anillos de cuatro carbonos

Comunicación celular (hormonas)

Terpenos

Largas cadenas carbonadas

Pigmentos fotosintéticos

ADN

Nucleótidos

Codificación genética

ARN

Nucleótidos

Expresión del código genético

CARBOHIDRATOS

PROTEÍNAS

LÍPIDOS

las

membranas

ACIDOS NUCLEICOS

información

Parte D: Creando y destruyendo moléculas. Reacciones químicas. Las moléculas pueden ser destruídas para liberar energía. También pueden ser unidas para formar estructuras celulares, o de reserva energética. En los sistemas biológicos ocurren cuatro tipos principales de reacciones químicas: a. b. c. d.

Reacciones de neutralización ácido-base, que transfieren iones hidrógeno entre las moléculas implicadas en la reacción Reacciones de óxido-reducción o redox, que transfieren electrones entre moléculas Reacciones de hidrólisis, en las que las moléculas reaccionan con agua para formar otras moléculas, y Reacciones de condensación, en el cual las moléculas reaccionan para formar agua y otras moléculas.

Describiremos brevemente estos tipos de reacciones a continuación D.1. Reacciones de neutralización ácido-base En condiciones normales, el agua no es simplemente H20. Existe una porción constante que se encuentra disociada en H+ y OH-, o de otro modo, en H3O+ y OH-. El OHcorresponde a una molécula de agua que ha perdido un ion H+, con su respectivo protón. Las moléculas que se encuentran disociadas son muy pocas, en agua pura a 25°C su concentración es apenas 1*10-7 moles por litro, por lo que no influye drásticamente en las propiedades del agua. Sin embargo, existen sustancias que pueden modificar la concentración de H+ y OH-, dándole a esa solución propiedades distintas. Piensa por ejemplo en la lluvia ácida, que no es otra cosa que agua con un aumento en la concentración de H+ y que tiene funestas consecuencias en los bosques.

Reacción de disociación del agua

El ácido clorhídrico al disolverse en agua libera protones H+.

El hidróxido de sodio libera OH- al medio. Es una base.

La reacción de disociación del agua es un proceso reversible, pero fundamental para la vida. El hidrógeno y el hidroxilo son altamente reactivos. Algunos compuestos, al ser disueltos en agua, pueden aportar hidrógeno y son considerados ácidos. Otros aportan hidroxilo y son considerados bases o compuestos alcalinos. En estricto rigor, el aporte de OH- hace que disminuya la concentración de H+. En base a lo anterior, se puede crear una escala de pH, es decir, del grado de acidez o basicidad de una sustancia disuelta en el agua. Escala de pH En condiciones normales, el producto de las concentraciones de H+ y OH- es 10-14. Esto se representa por [H+][OH-] = 10-14, ya que la concentración de cada uno de ellos es 10-7 y por lo tanto se suman. Si se agrega un ácido a una solución como para lograr un aumento de su concentración hasta 10-5, entonces la concentración de OH disminuirá en una cantidad similar, esto es a 10-9. Esta relación es constante, y expresa el comportamiento de ácidos y bases en una solución. Un ácido no sólo agrega H+ a una solución, sino que también remueve OH- pues formará agua, haciendo que su concentración disminuya. Con las bases, ocurre lo opuesto. Debido a que las concentraciones de H y OH pueden variar notablemente, se ha creado un mejor método para valorar los cambios en dichas concentraciones. Se ha establecido para ello el valor del pH, o potencial de hidrógeno, que está determinado por una fórmula logarítmica en base 10 de la concentración de hidrógeno disociado, es decir: pH = -log10[H+] Debemos notar que el valor del pH decrece en la medida que la concentración del hidrógeno aumenta. Esta es una particularidad de la fórmula que debes considerar.

Se han desarrollado distintos métodos para valorar el pH de una solución, y se han realizado diversas escalas de pH para conocer de antemano el comportamiento esperado de algunas sustancias. En los laboratorios usualmente encontramos papel pH, que varía su color en función del valor de pH, y que luego, mediante comparativa con una carta de colores, permite precisar el valor de pH analizado. Reacciones de neutralización Son aquellas que se dan entre un ácido y una base. Por ejemplo, el consumo de antiácidos como Disfruta® o Yasta® tienen por finalidad disminuir el grado de acidez estomacal. Estos productos son básicos. Entre un ácido y una base se produce una reacción de neutralización, cuya consecuencia directa es la obtención de una sal y de agua.

Una sal es un compuesto formado por un catión distinto al ión hidrógeno, y por un anión distinto al hidroxilo. Cuando una sal se disuelve en agua, formará aniones y cationes, como fue visto en el tópico de enlace iónico.

Escala de pH típica

Es posible desplazar esta reacción de modo de permitir liberar o retener protones H+. Esto es una solución tampón, o buffer. Nótese que esta reacción es bidireccional.

Buffers Muchas sustancias funcionan mejor en estrechos márgenes de pH. Por ejemplo, existen enzimas especializadas en pHs ácidos, como las enzimas digestivas del estómago (pepsina). En caso de cambiar el pH, su efectividad disminuye. Para los seres vivos es fundamental mantener sus rangos de pH dentro de los valores óptimos para el funcionamiento enzimático. Un buffer (o tampón) es una solución de un par ácido-base conjugados en las que ambos pares (ácido y base) se encuentran en las mismas concentraciones. Una base conjugada es cualquier cosa que queda de un ácido después de que se ha perdido su protón (H+). Un ácido conjugado se forma cuando un ión hidrógeno es transferido a la base conjugada. Dos sustancias que se relaciona de esta manera constituyen un par ácido-base conjugado. Por ejemplo, el ácido carbónico H2CO3 y el bicarbonato HCO3-. Los buffer minimizan los cambios de pH, reteniendo o liberando protones H+ a una solución determinada. D.2. Reacciones Redox

Esquematizando la oxidación y la reducción

Casi todos los elementos de la Tierra pueden reaccionar con el oxígeno. Por ejemplo, si el oxígeno se combina con el calcio, el oxígeno recibe electrones y forma iones cargados negativamente. La adición de dos electrones ha disminuído la carga del oxígeno en dos. La ganancia de electrones es definida como reducción. El calcio, en cambio, pierde electrones y forma iones positivos, en un proceso conocido como oxidación. La respiración celular es un buen ejemplo de ello. ¿Por qué?

D.3. Reacciones de hidrólisis Son fundamentales para la formación de macromoléculas. En las reacciones de hidrólisis, se usan los componentes del agua para separar una molécula en dos. Las reacciones de hidrólisis son un proceso catabólico, implicadas en la liberación de energía desde moléculas complejas, como el glucógeno o el almidón. D.4. Reacciones de condensación Son reacciones en donde se remueven los componentes de una molécula de agua para formar una molécula más grande. Son, por lo tanto, procesos de fabricación o anabólicos. Se utilizan como una forma de almacenar energía que posteriormente podrá ser liberada en reacciones de hidrólisis. Los disacáridos y polisacáridos se forman mediante este tipo de reacciones.

Ejemplo de la síntesis o degradación de la sucrosa a partir de reacciones de condensación o de hidrólisis. Revisión de contenidos 1.

¿En qué se parecen y en qué se diferencian los tipos de enlace analizados en el texto? Utilice ejemplos para cada uno de ellos. 2. Describa el enlace covalente polar usando en su descripción el concepto de electronegatividad. 3. ¿Por qué el enlace puentes hidrógeno es distinto a las fuerzas de Van der Waal? Fundamenta tu respuesta. 4. ¿Por qué el agua, a pesar de ser un compuesto inorgánico, es fundamental para la vida? 5. Se habla del carbono como un átomo de gran versatilidad. ¿En qué se basan para esta premisa? ¿Qué ejemplos de lo anterior puedes aportar? 6. Explique por qué la glucosa, la fructosa y la galactosa son isómeros. 7. ¿Qué es un grupo funcional? ¿Qué los caracteriza? ¿Dónde se encuentran? 8. Realice una comparativa entre moléculas y macromoléculas. 9. Como el carbono, los átomos del silicio pueden formar puentes con más de cuatro otros átomos. El amonio es una sustancia aún más polar que el agua. En tu opinión, ¿Por qué la vida en la Tierra se sustenta en cadenas de carbono en el agua, en vez de cadenas de silicio en amonio? Fundamenta tu respuesta. 10. Identifique los grupos funcionales involucrados en la reacción de condensación que forma largas cadenas de glucosa para producir almidón.