temas de biologia molecular (peña)

7/25/2019 Temas de Biologia Molecular (Pea)

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CMOSONLOSTOMOSYMOLCULAS

Los tomos tienen la tendencia natural a unirse entre s para formar molculas!"ue o#edece a re$las sencillas% Lavalencia! o capacidad de com#inaci&n de los tomos!resulta de la necesidad "ue tienen los tomos de 'completar( sus &r#itas e)ternas!

perdiendo o $anando electrones! dependiendo de lo "ue les resulte ms sencillo% Untomo de *idr&$eno! por e+emplo! tiene espacio en su &r#ita ms e)terna para aceptardos electrones% Con frecuencia se une a otros tomos perdiendoel ,nico electr&n "ue

posee! conser-ando un simple prot&n como n,cleo% Aun"ue los protones no e)isten enforma li#re! pues se asocian con otras molculas como las del a$ua. en principio! sta esla situaci&n cuando reacciona! por e+emplo! el *idr&$eno con el cloro% /ero tam#in

puede completar su &r#ita aceptandoun electr&n de otro tomo% Un tomo de o)$eno!"ue tiene 0 electrones en su &r#ita ms e)terna! al com#inarse con otros elementoscompletara su &r#ita ms e)terna con dos ms! por lo "ue suele unirse a otros tratandode completar esa &r#ita o nivel externo% 1e estas uniones! entre otras cosas! resultandistri#uciones uniformes o desi$uales de los electrones! "ue se traducen en la formaci&n

de sustancias "ue pueden tener o no car$as elctricas! o cuando menos poloselctricos"ue dan lu$ar a atracciones o repulsiones entre ellas! si$uiendo la simple le2 de lossi$nos3 car$as opuestas se atraen 2 car$as del mismo si$no se repelen% 4n las molculas$randes o en al$unos $rupos de ellas! estas atracciones 2 repulsiones pueden ser dee)traordinaria importancia! pues con frecuencia son la ra5&n 2 ori$en de estructuras de$ran importancia. uno de estos casos es el de las mem#ranas #iol&$icas%

Enlaces inicos

Uno de los casos de uni&n entre dos tomos es el de elementos "ue se encuentranmu2 separados entre s en la Ta#la /eri&dica de los 4lementos! como puede ser el casodel sodio 6Na7 2 el cloro 6Cl7! "ue estn en lados opuestos de la Ta#la% Como se muestraen la fi$ura ad+unta! al cloro s&lo le falta un electr&n en su &r#ita ms e)terna paracompletarla con ocho! como n,mero m)imo permitido% 4l caso del sodio es el opuesto3este tomo s&lo tiene un electr&n en su ,ltima &r#ita! 2 la manera ms simple decompletarla consiste en des*acerse de ese solo electr&n%

4s tal la tendencia de estos dos elementos a completar as sus &r#itas mse)ternas! "ue la reacci&n entre ellos es e)tremadamente -iolenta% Como se muestra en lafi$ura! al final de esa reacci&n resulta lo "ue se conoce como dos iones! es decir! los dosmismos tomos! pero con una car$a neta cada uno "ue resulta de la prdida o $ananciade un electr&n! se$,n el caso% 4l ion sodio 6Na87 es el mismo tomo! pero *a perdido el,nico electr&n "ue tena en su ,ltima &r#ita! 2 el ion cloruro 6Cl 97 es tam#in el mismotomo de cloro! pero a*ora contienen un electr&n adicional en su ,ltima &r#ita! "ueo#tu-o de la reacci&n con el sodio% :nclusi-e cam#ia la forma de representarlos! 2 eln,mero 2 si$no de sus car$as se representa a un lado 2 arri#a del sm#olo del elemento


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ori$inal% 4l enlace "ue a*ora mantiene unidos a los dos tomos es el llamado enlaceinico! 2 no es otra cosa "ue la atracci&n electrosttica resultante de la diferencia desi$nos en la car$a de am#os% Aun"ue el Na82 el Cl9se encuentran firmemente unidos enlos cristales de cloruro de sodio 6NaCl7! no lo estn cuando se disuel-en en el a$ua!

por"ue *a2 una mo-ilidad e intercam#io constante entre los iones de si$nos contrarios

"ue estn en contacto unos con otros%

Enlaces covalentes

;a2 casos en "ue se unen tomos i$uales entre s. por e+emplo! dos tomos de*idr&$eno "ue se unen para formar una molcula 6;


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incompleta=! en el o)$eno! 2 "ue! por otra parte! se $enere una deficiencia de car$ane$ati-a en las dos 5onas del *idr&$eno 6"ue pasan! en consecuencia! a tener una'incompleta( car$a positi-a en la misma proporci&n "ue en el o)$eno! "uedando lamolcula de a$ua elctricamente neutra como un todo! aun"ue con dos polos con car$aselctricas opuestas7%

Adems! la distri#uci&n de los tomos en el espacio es como se muestra en lafi$ura si$uiente3 las uniones del o)$eno con los *idr&$enos parten *acia un solo ladodel tomo! pero se a#ren formando un n$ulo de =>?@ 6de#ido a la repulsi&n de ladensidad de car$a positi-a en cada ;7% Sucede as "ue en la molcula se esta#lecen dos

polos ne$ati-os! "ue l&$icamente se con-ierten en uno *acia el e)tremo donde seencuentra el o)$eno! 2 dos positi-os *acia los *idr&$enos%

1 Puede considerarse esta carga como fraccionaria. Aunque, como es

fsicamente imposible la existencia de fracciones de carga elctrica (porque

la carga elctrica es discontinua), se suele hablar de una cierta densidadde

carga negativa en el polo donde se halla el ncleo de oxgeno, ! una cierta

densidad de carga positiva en el polo donde se hallan los ncleos dehidr"geno. Por este motivo, es que la molcula de agua es dipolar.


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sta es la disposici&n $eneral "ue da lu$ar a las llamadas molculas polares! 2 "ueen el caso del a$ua *ace "ue sus mismas molculas se or$anicen como se muestra en lafi$ura si$uiente! $racias a la atracci&n "ue e+ercen mutuamente los polos ne$ati-os 2 los

positi-os%

epresentaci&n de la 'estructura( de las molculas en lasustancia a$ua% Aun"ue *a2 una $ran mo-ilidad! pues el a$uaes un l"uido! las porciones ne$ati-as de las molculas sonatradas por las positi-as de otras! impidiendo "ue se separen 2

pasen al estado $aseoso "ue le correspondera por su tamaBo%La estructura! de *ec*o! es ms complicada%

1e a"u resultan propiedades del a$ua "ue son diferentes a las de molculas detamaBo seme+ante como el metano 6C;7% 4ntre las sustancias "umicas! por e+emplo! elestado fsico depende en $ran parte del peso molecular. mientras ms $rande es unamolcula! ms se -a acercando al estado s&lido% 4s as "ue el metano 6C;7! elamonaco 6N;D7 2 molculas de ese tamaBo! son $ases a,n a temperaturas #a+as% 4l

a$ua! en la cual sus molculas se atraen entre s! tiene un punto de ebullicin6pasa alestado $aseoso7 de =>>@C al ni-el del mar% Si el a$ua no tu-iera 'polos( de diferentesi$no! sera tam#in un $as! pues sus molculas tenderan a separarse al predominar suener$a cintica so#re la atracci&n "ue e+ercen unas por otras%

;a2 muc*as otras molculas no polares! como la $asolina 2 otros com#usti#les!los aceites 2 $rasas minerales! "ue no e+ercen atracci&n importante unas por las otras!"ue son l"uidas a la temperatura am#iente a partir de a"uellas de 0 & E tomos decar#ono! 2 una de sus propiedades importantes es "ue no se pueden disol-er en el a$ua%La ausencia de polos en estas sustancias e-ita "ue se puedan intercalar con lasmolculas del a$ua! pues stas! atradas unas por otras! impiden "ue las dems secolo"uen entre ellas 2 las 'e)primen( fuera del seno de las soluciones%

;a2 pues compuestos i&nicos 2 polares "ue pueden interactuar unos con otrospor"ue sus car$as positi-as o ne$ati-as o su polaridad les dan esta posi#ilidad% 1entrode ese $rupo se encuentran prcticamente todas las sales! los cidos 2 las #ases o lcalis%Tam#in son polares todos los a5,cares 2 aminocidos! as como un sinn,mero desustancias "ue e)isten en la naturale5a%

/or otra parte! *a2 sustancias apolares "ue! al no tener car$as en sus molculas!s&lo pueden interactuar unas con otras! pero de nin$una manera con las polares! "ue lase)pulsan de su seno% Todo esto es fundamental para entender una cuesti&n mu2 sencilla!"ue es lasolubilidadde las sustancias%


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SOLUF:L:1A1

La solu#ilidad es la propiedad "ue tienen las sustancias $aseosas! l"uidas os&lidas! de intercalar sus molculas con las de un sol-ente 6el l"uido en "ue sedisuel-en7% Como 2a se mencion& en la secci&n anterior! depende en $ran parte de las

caractersticas relati-as de polaridad de la sustancia "ue se disuel-e! "ue se llamasoluto!2 las del sol-ente%

La gasolina no se disuelve en agua

Ya se mencionaron las ra5ones de este fen&meno. las molculas del *idrocar#uro!"ue no son ms "ue cadenas de tomos de car#ono saturados de *idr&$enos! no se

pueden intercalar con las del a$ua! "ue se atraen fuertemente entre s% La situaci&n esseme+ante para las $rasas 2 aceites% Tampoco es posi#le! por lo tanto! disol-er sales oa5,cares en la $asolina% La atracci&n entre sus partculas *ace imposi#le "ue se separen2 pasen al seno de los l"uidos apolares%

Las soluciones en agua

Tomemos el caso! por e+emplo! del cloruro de sodio en a$ua! tal -e5 la soluci&nms a#undante de nuestro planeta! o del a5,car en el a$ua% 4n el caso del cloruro desodio! la disoluci&n tienen lu$ar por"ue cada uno de los iones! sea positi-o o ne$ati-o!e+erce una atracci&n so#re la porci&n ne$ati-a o positi-a! respecti-amente! de lasmolculas de a$ua% stas lle$an a formar -erdaderas capas alrededor de los iones! "uerealmente estn separados 2 es as como se intercalan con el a$ua% Cosa seme+antesucede con otras molculas polares! como los a5,cares% Las molculas tienen porciones

polares "ue pueden interactuar 2 atraerse mutuamente con el a$ua% Am#os casos serepresentan es"uemticamente en la fi$ura ad+unta%

Las soluciones acuosas de sustancias polares son el tipo ms com,n de soluciones

"ue *a2! 2 como e+emplo 2a mencionamos el caso del a$ua de mar% /ero esto tam#in escierto para las soluciones "ue encontramos en los seres -i-os! como nuestros l"uidoscorporales! l$rimas! sali-a! +u$o $strico! orina! etc%. los l"uidos "ue in$erimos! comoel caf! t! 5umos de frutas! etc%! en su ma2or parte son soluciones acuosas en las "ue lossolutos son polares%

Soluciones en solventes apolares: interacciones hidrofbicas

Las sustancias "ue se disuel-en en la $asolina de#en ser las apolares. entonces!para decidir la pre$unta planteada! #asta *acer un recuento de las sustancias "ueconocemos 2 clasificarlas entre las polares o las apolares% 4l e+ercicio puede ser lar$o!

pero si enumeramos las sustancias "ue conocemos! podremos -er fcilmente "ue esmuc*o ma2or el n,mero de las polares! "ue de#eran ser solu#les en a$ua! "ue el de las


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apolares! "ue seran solu#les en $asolina% No *a2 si"uiera punto de comparaci&n. poresta ra5&n el a$ua es considerada elsolvente universal%

4n resumen! las interacciones de las molculas se dan en $ran parte de#ido a ladistri#uci&n electr&nica "ue poseen 2 "ue puede permitir la relaci&n de los compuestos

polares o i&nicos con los de su mismo tipo% /or otra parte! *a2 tam#in interacciones

hidrofbicas! pero stas no son ms "ue atracciones d#iles entre molculas apolares%La $asolina se separa del a$ua! no por"ue *a2a una atracci&n importante entre susmolculas! sino por"ue la fuerte atracci&n entre las molculas de a$ua rec*a5a 2 e)pulsaa las de $asolina% As de simple% ste es un concepto de $ran importancia! puesdetermina las interacciones de las molculas "ue constitu2en a los seres -i-os 2 definecon frecuencia sus estructuras%

LASUN:1A14SYLA4STUCTUA14LASM4MFANAS

/ara formar las mem#ranas #iol&$icas! la naturale5a apro-ec*& las propiedades de

unas sustancias "ue no pueden incluirse estrictamente dentro de las "ue *emos llamadopolares o no polares% Se trata de compuestos "ue en su misma molcula tienen una partepolar 2 otra no polar% A este $rupo pertenecen! por e+emplo! los +a#ones 2 losdeter$entes! "ue estn formados por una cadena apolar! o 'cola(! de tomos de car#onoe *idr&$eno! 2 una 'ca#e5a(! "ue tiene una car$a ne$ati-a o positi-a% ;a2 un $ruponumeroso de estas sustancias! a las cuales se llama anfiflicaso anfipticas6del $rie$oanfi3 am#os7! por"ue parecen mostrar 'simpata( o! en trminos reales! capacidad parainteractuar! por una parte! con sustancias polares 2! por otra! con sustancias apolares% Acontinuaci&n -eremos c&mo se comportan estas sustancias en diferentes condiciones!

pero principalmente en el a$ua! "ue es el sol-ente principal de los seres -i-os! as comolas influencias "ue al$unos otros componentes de las soluciones en "ue se encuentran!como los iones! pueden tener en su comportamiento%

Micelas

Si disol-emos molculas de +a#&n en a$ua! como se muestra en la fi$ura ad+unta!lo "ue se produce no es una soluci&n -erdadera. de *ec*o no es transparente! 2 alcolocarla contra la lu5 la -emos ms o menos tur#ia u opalina! por"ue las molculasrealmente no se *an disuelto! sino "ue se *an or$ani5ado en forma de partculas mu2

pe"ueBas% Si la -emos iluminndola de un lado en una *a#itaci&n oscura nos daremos

cuenta "ue dispersa la lu5 6se -e luminosa al o#ser-arla de un lado7! precisamente por lapresencia en ella de esas partculas de cierto tamaBo% 4l fen&meno es seme+ante a laluminosidad de las partculas de pol-o iluminadas por un ra2o de Sol en una *a#itaci&nms o menos oscura%


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La formaci&n de esas partculas tienen lu$ar por"ue las cadenas de tomos decar#ono o 'colas( *idroficas de las molculas! como cual"uier cadena *idrofica!son rec*a5adas por el a$ua. esto pro-oca "ue todas se a$rupen! dando lu$ar a lasestructuras llamadas micelas! "ue son min,sculas esferas en las cuales las 'colas( o

porciones apolares forman la parte central! 2 *acia el e)terior se sit,an las 'ca#e5as( oporciones polares! "ue s pueden interactuar con el a$ua% 4sta propiedad de formarmicelas no es ms "ue una de las manifestaciones de las interacciones de los deter$entes2 +a#ones con el a$ua% Si colocamos +a#&n o deter$ente so#re la superficie del a$ua! se

puede formar una capa monomolecular 6de una sola molcula de $rueso7! en la cual las

'colas( *idroficas! rec*a5adas por el a$ua! "uedan e)puestas al aire! 2 las 'ca#e5as(*idroflicas sumer$idas en el a$ua% /ero ms a,n! las paredes de las #ur#u+as de +a#&nno son otra cosa "ue una do#le capa de +a#&n o deter$ente con las colas orientadas *aciael aire 2 las ca#e5as *acia la capa de +a#&n! en contacto tam#in con una finsima capade a$ua! "ue! adems! se e-apora con facilidad 2 da como resultado la prdida de laestructura 2 la ruptura de la #ur#u+a a pocos se$undos de "ue se *a formado%

No es difcil ima$inar a*ora "ue las propiedades de las sustancias anfipticasdifieran se$,n su estructura indi-idual! 2 "ue estas diferentes propiedades modifi"uentam#in las de las micelas u otras estructuras "ue forman% 4l estudio de las propiedadesde las micelas! por otra parte! *a ser-ido de #ase para suponer en un principio 2confirmar lue$o muc*as de las propiedades de las mem#ranas #iol&$icas "ue! como

-eremos a continuaci&n! o#edecen a las mismas re$las $enerales de comportamiento 2comparten al$unas de las propiedades $enerales con las micelas%Las micelas tam#in *an permitido *acer estudios so#re las caractersticas

$enerales de las superficies "ue ofrecen al medio! no s&lo frente al sol-ente mismo! sinotam#in frente a otros componentes o condiciones del medio am#iente! como la acide5 oalcalinidad 6p;7! o la presencia de otras sustancias! principalmente iones de diferentescar$as o -alores! etc% 4sta informaci&n en muc*as ocasiones *a permitido esta#lecer

principios o normas $enerales de comportamiento "ue se pueden aplicar a otrasestructuras seme+antes! inclu2endo a las mem#ranas #iol&$icas%

/arte de la informaci&n #sica "ue se *a o#tenido de las micelas es la relati-a alestado fsico de las porciones apolares rec*a5adas por el a$ua% 4l estudio de la fluide5

del interior de las micelas *a permitido predecir propiedades importantes de lasmem#ranas #iol&$icas por e)trapolaci&n! en cuanto a su estado fsico! acomodo! efectos


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del lar$o de la cadena apolar! de la presencia de do#les li$aduras en ella! de la car$a delas ca#e5as! de la presencia de iones en el a$ua! etc%

4LCOM/OTAM:4NTO14LASMOLCULAS4NSOLUC:N

Todos conocemos el *ec*o aparentemente sencillo 2 tri-ial de "ue si colocamosuna $ota de tinta en un -aso de a$ua! las partculas de colorante se mue-en o difundenlentamente *asta "ue en un tiempo! ms o menos lar$o! ocupan todo el espacio de "uedisponen 2 la soluci&n se -uel-e completamente uniforme% 4sto! "ue se puede -er conlos colorantes! es el fen&meno llamado difusin. sucede con todas las sustancias pori$ual! 2 se de#e a una ra5&n mu2 sencilla3 las molculas de todas las sustancias tienenenerga "ue las mantiene en constante mo-imiento! 2 "ue *ace "ue tiendan adespla5arse de los lu$ares de ma2or concentraci&n a los de menor concentraci&n!lle$ando a dar una concentraci&n uniforme en todas las partes de una soluci&n al finalde cierto tiempo%

4sta ener$a "ue todas las molculas tienen! se puede manifestar en diferentesformas% Tal -e5 las ms claras e-idencias se o#ser-an al comprimir un $as% 4ste

procedimiento consiste en for5ar una sustancia $aseosa a ocupar un espacio menor del"ue tenan antes. es tal el estado ener$i5ado! "ue podemos reali5ar diferentes tipos detra#a+o con la ener$a del $as comprimido. *a2 *erramientas mu2 -ariadas "ue seimpulsan con aire comprimido%

Lo mismo sucede con el -apor de a$ua cuando! en lu$ar de de+arlo li#re al *er-ira$ua! lo encerramos en un espacio reducido. la presi&n "ue alcan5a puede ser tan alta"ue tam#in con l podemos reali5ar un tra#a+o utili5ando una m"uina de -apor%4)actamente de la misma forma! las molculas de una soluci&n e+ercen una -erdadera

presi&n so#re las paredes del recipiente "ue la contiene! por sus constantes c*o"ues. no*a2 diferencia en la manera como las molculas de un $as la e+ercen so#re el recipiente"ue lo contiene%


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4s entonces necesario no perder de -ista este concepto3 todas las molculas de unasoluci&n! como las de un $as! tienen una cierta ener$a! 2 la cantidad de ella depende del-olumen "ue ocupa una cantidad de molculas o iones. es o#-io "ue mientras ten$amosun ma2or n,mero de ellas en un cierto -olumen! ser ma2or la cantidad de ener$a% 4notras pala#ras! la ener$a de las molculas de una soluci&n depende de la concentraci&n

6cantidad! en moles de molculas! por -olumen! en litros! de soluci&n7 de ella% 4staener$a *ace "ue las molculas tiendan a difundirse de los lu$ares de ma2or a los demenor concentraci&n! i$ual "ue el aire comprimido tiende a escapar del recipiente en"ue se encuentra almacenado! perdiendo as ener$a en el proceso% Tam#in! aun"ue

pueda parecer difcil ima$inarlo! en el proceso mediante el cual una soluci&n se dilu2e!*a2 una li#eraci&n de ener$a "ue en lu$ar de li#erarse podra ser apro-ec*ada parareali5ar un tra#a+o o cam#iarla en otra forma% Lo contrario tam#in es -lido. para "ueun $rupo de molculas pase de un lu$ar de menor a uno de ma2or concentraci&n esnecesario aplicar ener$a al sistema! como si se tratara de comprimir en un $as%

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