Átomos y moléculas:La base química de la vida

Capítulo 2Robert J. Mayer Ph.D.

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

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

El carbono es un elemento importante para la vida

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

Biology, Sixth Edition Chapter 2, Atoms and Molecules

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

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El átomo es 100 veces más grande que este protón

El electrón es 1000 veces mas pequeño que este protón

Si esto fuese un

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

IsótoposLos átomos que tienen pesos atómicos diferentes se conocen comoisótopos

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

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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 encuentrantan atractivo allá afuera?

Iones: Modelo de Bohr

Hidrógeno: 1 p, 1 e - Ion de Hidrógeno : 1p

-

+ +

No tiene carga neta Carga +1

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

1s

2s

p orbitals

2 electrons each

Orbitales

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 moléculasy 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 contiene6 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

químicas

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. 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 donadosdonados 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 iónicosen la sal de mesa

NO PUEDE GANAR 7 e-para llenar la capa de valencia

El término moléculamolécula no describiríamuy bien a un compuesto iónico como lo es el NaCl (sal de mesa)

Los cristalescristales de estos compuestono tienen moléculasmoléculas definidas y tienden a disociarse en sus iones correspondientes cuando seexponen 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

Slide 8Fig. 2.10

Salt

H HH

H

Na+

—O

—

—

—

— —OH

O

Cl—

Cl—Cl—

Cl—

Cl—Cl—

HHO—

O—

O—

O—

O—

——

— —

—

— —

—

H H

HH

H

H

—

——

Cl—

Na+

Na+

Na+ Na+

Na+

Na+

——+

H H

Cl— —

• 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

Enlaces polares covalentes

Electronegativeatoms

+ —

Hydrogenbond

H

HO N

H

H

H

Fig. 2.11

Los e- pasan mas tiempo cerca del O

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 reacciones redox ocurren simultaneamente porque una substancia debe aceptar los electrones que han sidoremovidos de otra substancia

Las conversiones de energía que se llevan a cabo en lacélula ocurren a causa de transferencias de electrones deuna substancia a otra.

La transferencia de un e- también llevan consigo la energía de ese electron

Corrosión del hierro

Es la combinación de hierro con oxígeno

4 Fe + 3 O2 2 Fe2O3

4 Fe 4 Fe3+ + 12 e-

OXIDACIÓN

3 O2 + 12 e- 6 O2-

REDUCCIÓN

Agente oxidanteAgente reductor

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 (+)

• 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”

Las moléculas de agua forman puentes

de hidrógeno

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 anionAnion + 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+ +1

Hydrogen H+ +1

Magnesium Mg2+ +2

Calcium Ca2+ +2

Iron Fe2+ or Fe 3+ +2 or +3

Ammonium NH4+ +1

Aniones importantes para la vida

Name Formula Charge

Chloride Cl- -1

Iodide I- -1

Carbonate CO32- -2

Bicarbonate HCO3 - -1

Phosphate PO43- -3

Acetate CH3COO- -1

Sulfate SO42- -2

Hydroxide OH- -1

Nitrate NO3- -1

Nitrite NO2- -1