La base química de la vida Átomos y moléculas: La base química de la vida Robert J. Mayer Ph.D. Capítulo 2

Tópicos de este capítulo Imporancia de la química en la biología Elementos Átomos La naturaleza de los enlaces químicos Moléculas y compuestos Energía El mol El número de Avogadro Propiedades del agua pH Ácidos y bases

La importancia de la química en la biología Los procesos de la vida consisten de reacciones químicas La substancia estructural de los organismos vivientes puede ser explicada mediante la química Los mecanismos mediante los que se transforma la energía, en algo útil para un organismo, son químicos Para entender los organismos vivientes debemos entender la naturaleza molecular y química de la vida

El carbono es un elemento importante para la vida Compuestos inorgánicos – sustancias simples (e.g. agua) que usualmente no contienen carbono Compuestos orgánicos – sustancias grandes y complejas que contienen carbono y son generalmente grandes y complejas

Elementos No pueden ser descompuestos en sustancias más simples mediante reacciones químicas (i.e. reacciones no nucleares) O, C, H, N, Ca, y P forman >98 % de la masa de los organismos vivientes Los otros elementos son importantes pero usualmente se encuentran en cantidades muy pequeñas (“trace elements”) en los seres vivientes.

Átomos Los átomos son la forma mas pequeña de la materia que retienen las características de un elemento dado Los átomos tienen un núcleo : Contiene protones (p) Puede contener neutrones (n) Hay nubes de electrones (e-) que cubren el nucleo

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Protones, Electrones, & Neutrones Los protones tienen una carga de +1 y una masa de 1 unidad de masa atómica (AMU) Los neutrones no tienen carga pero tienen una masa de 1.005 AMU Los electrones tienen una carga de -1 y una masa de 1/1800 AMU

Si esto fuese un Biology, Sixth Edition Chapter 2, Atoms and Molecules El átomo es 100 veces más grande que este protón El electrón es 1000 veces mas pequeño que este protón

Los electrones se mueven en orbitales Scanning tunneling electron microscopy

La tabla periódica Los elementos están agrupados en la tabla periódica de los elementos. Las números de las columnas de la tabla se refieren al número de electrones de valencia [e- que yacen de la capa (shell) de energía mas externa] En los átomos de hidrógeno (H) y el helio (He), la capa mas externa es la única que tiene electrones porque solamente la capa 1s esta ocupada En los elementos mas pesados, mas capas y mas electrones estan ocupados. En adicción a la primera capa esférica, la segunda capa esférica (2s) y la que tiene forma de “dumbell” (orbitales P) son utilizadas

La tabla periódica La columna #1 contiene elementos que solamente tienen un electrón (e-) en su capa de valencia Estos elementos liberan ese e- facilmente Las elementos de las columnas 5, 6 y 7 necesitan 3, 2 y 1 electrón respectivamente para llenar su capa de afuera además son electronegativos (atraen electrones de otros elementos) Los elementos en la columna 8 tienen las capas externas llenas y son inertes debido a que no necesitan reaccionar para así llenar esta capa

Número y peso atómico El número de protones es llamado el número atómico El número atómico define el elemento – si el número de protones cambia el elemento también cambia El número de protones + el número de neutrones = masa atómica (unidades de masa atómica o Daltons) En un átomo sin carga el número de protones es igual al número de electrones

Isótopos Los átomos que tienen pesos atómicos diferentes se conocen como isótopos Los isótopos varían en el número de neutrones

Isótopos Todos los átomos son isótopos La mayor parte de los isótopos son estables Algunos son inestables y cambian para formar otros elementos Las emisiones que son liberadas mientras un isótopo se desintegra son conocidas como radioactividad Rayos-X Rayos Gama Partículas Alpha (= helium nuclei) Neutrones Partículas Beta

Usos prácticos de los radioisótopos Las moléculas que contienen distintos isótopos no son metabolizadas de forma diferente por los organismos Por lo tanto las moléculas contienen isótopos radioactivos pueden ser utilizados para trazar movimientos de esas moléculas en un organismo Los isótopos radioactivos son utilizados para diagnosticar y tratar las enfermedades

Biology, Sixth Edition Chapter 2, Atoms and Molecules Los isótopos radioactivos pueden ser utilizados para determinar la edad de los fósiles La razón de isótopos radioactivos en los nutrientes es constante en el ambiente Algunos isótopos se decaen selectivamente Los restos de organismos tienen una razón de isotopos que va cambiando con el tiempo

Iones La carga neta de un átomo es usualmente cero debido a que el número de electrones es usualmente igual al de protones Si el número de e- no es igual al de protones el átomo se conoce como un ion Los iones tienen una carga neta La carga depende del número de electrones Si el #e- > #p, entonces el ion es negativo (anion) If #p > #e-, entonces el ion es positivo (cation) La magnitud de la carga depende de la diferencia entre el número de e- y p Por ejemplo, si un átomo contiene 7 e- y 5 p entonces la carga es de -2

¿Alguno de ustedes me podría decir que es lo que encuentran tan atractivo allá afuera?

Iones: Modelo de Bohr Hidrógeno: 1 p, 1 e - Ion de Hidrógeno : 1p - + Carga +1 No tiene carga neta

Orbitales Los orbitales son lugares donde se encuentran los electrones en un momento dado. Los orbitales son funciones de probabilidad de densidad de la posición de los electrones Cada orbital individual tiene cabida para dos electrones

Orbitales 1s 2s p orbitals s and p orbitals can combine 2 electrons each 1s 2s p orbitals s and p orbitals can combine

Orbitales de energía

Electrones y la energía Los niveles de energía donde se encuentran los electrones se conocen como capas (shells) Cada capa puede tener uno o mas orbitales El orbital de “mas afuera” se conoce como un orbital de valencia Mientras mas lejos esta el electrón del nucleo mas energía potencial tiene

Electrones y la energía - + - Lower energy + Higher energy

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Combinaciones de átomos: Moléculas y compuestos Los átomos reaccionan solamente cuando están bien cerca unos a los otros. El comportamiento químico de los átomos es determinado por el número y arreglo de sus electrones de valencia Los átomos pueden juntarse para formar moléculas que consisten de combinaciones de átomos. Si una molécula se forma de mas de un elemento esta se conoce como un compuesto El peso molecular es meramente la suma de los pesos atómicos de los elementos que se encuentran en esa molécula. El NaCl tiene un peso de 58 porque contiene un átomo de Na (23 AMU) y un átomo de cloro (35 AMU)

Fórmulas Fórmulas químicas describen la composición y organización de las moléculas Fórmula mas simple (fórmula empírica) Los subscritos indican el número mas bajo de la razón de el número de átomos en una molécula (e.g. NH2 = razón de 1:2 de Nitrógeno a Hidrógeno) Fórmula molecular Indica el número actual (no la razón) de átomos en una molécula. (e.g. N2H4 = hydrazine) Fórmula estructural Muestra el número real de átomos como también su conectividad (que átomo esta conectado a cual otro) e.g. H-O-H para agua

Masa molecular de un compuesto – es la suma de las masas atómicas de una sola molécula (la masa molecular de H2O es (hidrogeno: 2X1 amu) + (oxígeno: 1X16 amu) = 18 amu

El Mol Un mol de cualquier sustancia contiene 6.02 X 1023 moléculas de esa sustancia Es imposible contar átomos o moléculas pero si puedes calcular la masa de una muestra y de ahí calcular el numero de átomos o moléculas de ese compuesto presentes en esa muestra La masa (en gramos) de un elemento es igual a la masa atómica de ese elemento (masa atómica o “gram atomic weight” de un elemento = 6.02 X 1023 átomos de ese elemento) Un mol de moléculas de un compuesto pesa en gramos el equivalente de una cantidad igual a la suma de los pesos atómicos de sus átomos constituentes NaCL tiene un peso molecular de 58 amu 58 g de NaCl contienen 6 X 1023 moléculas NaCl = 1 mol de NaCl Esto es un concepto muy útil debido a que nos permite hacer comparaciones entre átomos y moléculas con diferente masa.

Los pesos atómicos y los pesos moleculares resultantes no son “valores digitales” esto quiere decir que tienen valores fraccionarios. Esto es debido a que el peso de un compuesto depende de una población de moléculas y entre estas existen diferentes isótopos de cada elemento para cada átomo en esa molécula resultando en una pequeña variación en las masas de las moléculas individuales Molaridad = número de moles por litro Una solución 1 molar (1 M) = 1 mol de esa sustancia disuelta en un volumen de 1 L Un litro que contenga 1 M de una sustancia contiene 6 X 1023 moléculas de esa sustancia 58 g de NaCl disueltos en 1L of de agua forman una solución de 1 M 116 g por litro equivale a 2 M y 11.6 g en 100 ml equivale también a 2 M

Concentraciones molares Concentración = la cantidad de una sustancia por unidad de volumen Algunos compuestos tienen agua asociada a ellos, estas moléculas de agua no estan unidas mediante un enlace a estas moléculas = agua de hidratación Peso de fórmula (FW) = Peso molecular + agua de hidratación Si el FW es indicado para una sustancia - debemos utilizarlo para calcular una concentración

Las ecuaciones químicas describen las reacciones C6H12O6 + 6 O2  6 CO2 + 6 H20 + energía Reactivos Productos Equilibrio dinámico CO2 + H20  H2CO3 

Enlaces Los átomos se mantienen juntos mediante fuerzas de atracción llamadas enlaces. Los enlaces surgen debido a la reorganización de las estructuras electrónicas en las capas de valencia de los átomos que estén envueltos en ese enlace. Todas las reacciones químicas envuelven algún tipo de reorganización de enlaces. La reorganización de enlaces (rompimiento o construcción de enlaces) resulta en que se libere o capture energía La energía de enlace es la energía necesaria para romper un enlace dado

Enlaces covalentes En los enlaces covalentes se comparten dos electrones por cada enlace Las capas externas de los dos átomos que participan en un enlace se llenan Entre dos átomos podría ocurrir mas de un enlace

Enlaces covalentes Las estructuras de Lewis utilizan puntos para indicar el número de electrones en la capa de valencia de los átomos Los modelos estructurales utilizan una linea para representar los enlaces Gas metano

Cationes = Un átomo con 1,2, ó 3 electrones en su capa de valencia tiende a donarlos a otros átomos. Estos adquieren una carga positiva (# e- < # P). Aniones = Los átomos que tienen 5,6, ó 7 electrones de valencia tienden a ganar electrones de otros átomos y adquieren una carga negativa. Las propiedades químicas de los iones son bien diferentes a los de los átomos que dieron lugar a ellos (e.g. gas cloro = venenoso; átomos de Cl- son esenciales para los organismos vivos

Iones poliatómicos = Grupos de átomos enlazados covalentemente Iones poliatómicos = Grupos de átomos enlazados covalentemente. Estos grupos de átomos pueden perder o ganar protones derivados de los átomos de hidrógeno al igual que electrones Por lo tanto un grupo de átomos puede convertirse en un catión si pierde uno o mas electrones o gana uno o mas protones, se podría también convertir en un anión si gana 1 o mas electrones.

Enlaces iónicos En los enlaces iónicos los electrones son donados por un átomo a otro. Un átomo electronegativo le arranca un electrón a otro átomo con el propósito de llenar su capa de valencia. “Es como si uno o mas electrones dejaran el centro de un átomo para irse a vivir con otro” Un ion es una partícula con una carga de 1 o mas unidades

Enlaces iónicos en la sal de mesa NO PUEDE GANAR 7 e- para llenar la capa de valencia Enlaces iónicos en la sal de mesa El término molécula no describiría muy bien a un compuesto iónico como lo es el NaCl (sal de mesa) Los cristales de estos compuesto no tienen moléculas definidas y tienden a disociarse en sus iones correspondientes cuando se exponen al agua

Disolución de la sal de mesa El agua disuelve las sales muy fácilmente debido a que forma capas de hidratación alrededor de los iones Al estar envueltos ya no están en contacto los unos con los otros El agua es un disolvente (la substancia en la que se disuelve una sustancia) mientras que la sal es el soluto (la sustancia que se disuelve) Para poder disolverse en agua los solutos tienen que ser polares e iónicos

Enlaces polares covalentes Los átomos electroneg. de O halan e- de H en el agua Esto resulta en una carga (+) parcial en el H y otra carga parcial (-) en el O Las cargas parciales estan representadas por (d) Los enlaces entre O y H son enlaces polares covalentes d+ d- d+

+ — O H Electronegative atoms H H N H Hydrogen bond H Los e- pasan mas tiempo cerca del O H + — O H N H Hydrogen bond H H Fig. 2.11

Puentes de hidrógeno Un átomo electronegativo siempre debe estar enlazado covalentemente al H Los átomos electronegativos halan electrones del nucleo del átomo de H; estos se desplazan un poco pero no son removidos del H completamente Un ejemplo de estos átomos electronegativos son: O,N, y S Todos estos elementos necesitan electrones para llenar sus capas de valencia Los puentes de hidrógeno se forman y destruyen fácilmente, son débiles pero muchos juntos forman una atracción bastante fuerte.

Van der Waals Cargas temporeras en la superficie de las moléculas y que inducen cargas opuestas en moléculas adyacentes: Enlaces de Van der Waals

Tipos de reacciónes químicas (Rearreglos) Rearrangement reactions: Los átomos se reareglan en las moléculas (Síntesis) Synthesis reactions: Las moléculas pequeñas se juntan para formar otras mas grandes (Degradación) Degradation reactions: Las moléculas grandes son rotas en otras mas pequeñas (Desplazamiento) Displacement reactions: Un átomo remplaza a otro sin la necesidad de reareglos (Pares de reacciones) Reaction pairs: La energía de una reacción hace posible que ocurra otra reacción

Reacciones de reducción y oxidación Una reducción es cuando un átomo gana un electron Oxidación es la pérdida de un electron. Reducción/oxidación (redox) son reacciones en las que ocurre una transferencia de electrones. La transferencia de un electrón conlleva la transferencia de su energía, así que la pérdida de un electrón (oxidación) significa que ha ocurrido una pérdida de energía; la ganancia de un electrón (reducción) implica una ganancia de energía

Reacciones redox En una reacción redox un átomo pierde un electrón (o mas) mientras otro átomo gana un electron Siempre hay una reducción y una oxidación ocurriendo simultaneamente Cuando el hierro se oxida, pierde electrones al oxígeno el cual es reducido

Las conversiones de energía que se llevan a cabo en la célula ocurren a causa de transferencias de electrones de una substancia a otra. La transferencia de un e- también llevan consigo la energía de ese electron Las reacciones redox ocurren simultaneamente porque una substancia debe aceptar los electrones que han sido removidos de otra substancia

Corrosión del hierro Es la combinación de hierro con oxígeno 4 Fe + 3 O2 2 Fe2O3 Agente reductor Agente oxidante 4 Fe 4 Fe3+ + 12 e- OXIDACIÓN 3 O2 + 12 e- 6 O2- REDUCCIÓN

Los electrones no son sacados con facilidad de un enlace covalente por lo tanto muchas veces el átomo completo es removido En las células vivientes la oxidación muchas veces conlleva la remoción de un átomo de hidrógeno completo de un enlace covalente La reducción a veces envuelve la adición de un átomo de hidrógeno

Substancias hidrofílicas – son substancias que reaccionan fácilmente con el agua (e.g. azúcar y sal) Substancias hidrofóbicas – son substancias que no reaccionan fácilmente con agua (e.g. grasas, aceites)

Agua (H2O) Cubre el 70 % de la superficie de la tierra Esta envuelta en los procesos energéticos del planeta El agua es esencial para la vida Es un componente muy importante de los organismos vivos: 50-90% terrestres, 98% los marinos Las características químicas y físicas del agua han sido esenciales para el origen de la vida en la tierra además de ser esenciales para la evolución y supervivencia de los organismos vivos

El agua es polar Es un dipolo El O hala electrones del H El extremo de O es parcialmente (-) mientras que el extremo de H es (+)

Las moléculas de agua forman puentes de hidrógeno La cargas parciales interaccionan Los átomos de H y O se atraen Causan que el agua se auto-asocie Son débiles pero muchos juntos son “fuertes”

Puentes de H Las moléculas de vapor de agua interaccionan muy poco Las moléculas de agua líquida están unidas por puentes de hidrogeno pero pueden soltarse de vez en cuando Cuando el agua se congela forma una red cristalina debido a que los puentes de H duran mas El hielo contiene menos moléculas por unidad de volumen que el agua liquida El agua fría (~4oC) se unde = cuando mas densa esta el agua

Propiedades termodinámicas del agua La temperatura es una medida de movimiento molecular Mientras mas alta la temperatura mas movimiento tienen las moléculas Calor = cantidad total de energía cinética en una muestra de una substancia El agua tiene un calor específico alto = es necesaria una caloría / g de agua para aumentar la temperatura 1O C (el alcohol etílico solo requiere 0.5 calorías/g) Esto ocurre porque las moléculas de agua estan restringidas por los puentes de hidrógeno

El agua también tiene un alto calor de vaporización = son necesarias 540 calorías para cambiar 1g de agua liquida a un gramo de vapor Los puentes de H deben ser rotos Cuando el agua cambia de líquido a vapor esto requiere mucha energía en forma de calor resultando en enfriamiento evaporativo Cuando el agua cambia de hielo a líquido los puentes de H absorben mucho calor resistiendo el cambio a liquido

El agua protege el ambiente El agua resiste cambios en temperatura Sin agua las temperaturas fluctuarían mucho del día a la noche y de estación del año a estación del año Los ambientes marítimos no fluctúan mucho en temperatura mientras que los desiertos si

El agua es “pegajosa” A causa de los puentes de H Cohesión – se pega a si misma Adhesividad – se pega a otros objetos Forma el menisco Se mete en lugares pequeños y polares (capilaridad)

El agua tiene tensión de superficie El agua se pega tan fuertemente a si misma que tiene tensión de superficie Forma un menisco Forma gotas Los animales pequenos pueden caminar en su superficie

Otras interacciones El agua tiene que ver con el rompimiento y la creación de moléculas grandes (i.e. Hidrólisis) Condensación o síntesis por deshidratacón

El agua como disolvente Cubre los iones y causa que se separen Forma capas de hidratación de agua alrededor del ion Disuelve compuestos iónicos y polares

Ácidos, bases y amortiguadores Los ácidos liberan protones (donantes de protones) Molécula de ácido H+ + Anion Las bases absorben protones (aceptadores de protones) La base es un anion Anion + H+ Ácido Ejemplo: HCl (ácido) H+ + Cl- NaOH (base) Na+ + OH-

pH El pH es una medida de la concentración de iones de hidrógeno pH = - log10 [H+] El agua no se ioniza facilmente El agua pura tiene solamente iones de hidrógeno; por lo tanto el pH 7 El agua pura tiene solo 10-7 M de H La suma de los exponentes de los iones de H+ y OH- es siempre 14, que dice que el producto de las concentraciones es siempre 1 X 10-14 Dada la concentración de OH- uno puede calcular la [H+] y vice versa

Ácidos y bases Cuando el agua es neutral pH=7 Cuando el agua tiene un exceso de protones (iones de hidrógeno) entonces es acídica y el pH < 7 De igual manera cuando el agua tiene un número reducido de protones, entonces es básica y el pH > 7 Los iones de Hidrógeno no existen en agua pero se combinan con agua para formar H3O+, o iones de hidronio por simplicidad solamente se trabaja con H+

La importancia del pH La función celular depende del pH El pH fisiológico normal es usualmente cerca de un pH 7.4 El pH fisiológico esta implicado en: Razón de la reacción Organización de las membranas Organización del citoesqueleto Conformación enzimática y propiedades catalíticas Las desviaciones (aun pequeñas) del pH fisiológico pueden ser detrimentales a las reacciones bioquímicas

pH de las soluciones comunes

Los amortiguadores minimizan los cambios en pH Los amortiguadores son moléculas que actúan como ácidos o bases o como los dos Ácidos y bases débiles Son débilmente ionizantes Algunos amortiguadores son ácidos y bases a la misma vez El bicarbonato es un amortiguador importante para los vertebrados CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- Carbon dioxide Carbonic acid Bicarbonate ion

Sales Una sal es un compuesto en el cual un ion de hidrógeno, de un ácido, es remplazado con otro cation. Los ácidos y las bases se combinan para formar sales y agua El agua forma iones de hidrógeno y hidróxido Las sales se forman de la combinacion de iones con cargas opuestas En una sal H+ son remplazados con otro catión como lo es el Na+ Cuando las sales se disuelven en agua, sus componentes Se separan como iones que a su vez se conocen como electrólitos porque pueden conducir una corriente eléctrica. Las substancias no polares no son electrólitos HCl + NaOH H2O + NaCl

Cationes importantes para la vida Name Formula Charge Sodium Na+ +1 Potassium K+ Hydrogen H+ Magnesium Mg2+ +2 Calcium Ca2+ Iron Fe2+ or Fe 3+ +2 or +3 Ammonium NH4+

Aniones importantes para la vida Name Formula Charge Chloride Cl- -1 Iodide I- Carbonate CO32- -2 Bicarbonate HCO3 - Phosphate PO43- -3 Acetate CH3COO- Sulfate SO42- Hydroxide OH- Nitrate NO3- Nitrite NO2-