Biología I

En su nivel más fundamental, la vida está hecha de materia. La materia ocupa espacio y tiene masa. Toda la materia está compuesta por elementos, sustancias que no pueden descomponerse ni transformarse químicamente en otras sustancias. Cada elemento está formado por átomos, cada uno con un número constante de protones y propiedades únicas. Se han definido un total de 118 elementos; sin embargo, sólo 92 se dan de forma natural y menos de 30 se encuentran en las células vivas. Los 26 elementos restantes son inestables y, por tanto, no existen durante mucho tiempo o son teóricos y aún no se han detectado.

Cada elemento se designa por su símbolo químico (como H, N, O, C y Na), y posee propiedades únicas. Estas propiedades únicas permiten que los elementos se combinen y se unan entre sí de maneras específicas.

Atomos

Un átomo es el componente más pequeño de un elemento que conserva todas las propiedades químicas de ese elemento. Por ejemplo, un átomo de hidrógeno tiene todas las propiedades del elemento hidrógeno, como que existe como gas a temperatura ambiente, y se une al oxígeno para crear una molécula de agua. Los átomos de hidrógeno no pueden descomponerse en nada más pequeño y seguir conservando las propiedades del hidrógeno. Si un átomo de hidrógeno se dividiera en partículas subatómicas, dejaría de tener las propiedades del hidrógeno.

En el nivel más básico, todos los organismos están hechos de una combinación de elementos. Contienen átomos que se combinan para formar moléculas. En los organismos multicelulares, como los animales, las moléculas pueden interactuar para formar células que se combinan para formar tejidos, que constituyen los órganos. Estas combinaciones continúan hasta formar organismos multicelulares completos.

Todos los átomos contienen protones, electrones y neutrones (Figura 1). La única excepción es el hidrógeno (H), que está formado por un protón y un electrón. Un protón es una partícula con carga positiva que reside en el núcleo (el núcleo del átomo) de un átomo y tiene una masa de 1 y una carga de +1. El electrón es una partícula con carga negativa que se desplaza por el espacio que rodea al núcleo. En otras palabras, reside fuera del núcleo. Tiene una masa insignificante y una carga de -1.

Los neutrones, al igual que los protones, residen en el núcleo de un átomo. Tienen una masa de 1 y no tienen carga. Las cargas positivas (protones) y negativas (electrones) se equilibran entre sí en un átomo neutro, que tiene una carga neta de cero.

Debido a que los protones y los neutrones tienen una masa de 1 cada uno, la masa de un átomo es igual al número de protones y neutrones de ese átomo. El número de electrones no se tiene en cuenta en la masa total, porque su masa es muy pequeña.

Como se ha dicho antes, cada elemento tiene sus propias propiedades. Cada uno contiene un número diferente de protones y neutrones, lo que le da su propio número atómico y número de masa. El número atómico de un elemento es igual al número de protones que contiene. El número másico es el número de protones más el número de neutrones de ese elemento. Por lo tanto, es posible determinar el número de neutrones restando el número atómico del número másico.

Estos números proporcionan información sobre los elementos y cómo reaccionarán al combinarse. Los diferentes elementos tienen diferentes puntos de fusión y ebullición, y se encuentran en diferentes estados (líquido, sólido o gas) a temperatura ambiente. También se combinan de forma diferente. Algunos forman tipos específicos de enlaces, mientras que otros no. La forma en que se combinan se basa en el número de electrones presentes. Debido a estas características, los elementos se organizan en la tabla periódica de los elementos, una tabla de los elementos que incluye el número atómico y la masa atómica relativa de cada elemento. La tabla periódica también proporciona información clave sobre las propiedades de los elementos (Figura 2), a menudo indicada mediante un código de colores. La disposición de la tabla también muestra cómo están organizados los electrones de cada elemento y proporciona detalles importantes sobre cómo reaccionarán los átomos entre sí para formar moléculas.

Los isótopos son formas diferentes del mismo elemento que tienen el mismo número de protones, pero un número diferente de neutrones. Algunos elementos, como el carbono, el potasio y el uranio, tienen isótopos naturales. El carbono-12, el isótopo más común del carbono, contiene seis protones y seis neutrones. Por tanto, tiene un número másico de 12 (seis protones y seis neutrones) y un número atómico de 6 (que lo convierte en carbono). El carbono 14 contiene seis protones y ocho neutrones. Por tanto, tiene un número másico de 14 (seis protones y ocho neutrones) y un número atómico de 6, lo que significa que sigue siendo el elemento carbono. Estas dos formas alternativas del carbono son isótopos. Algunos isótopos son inestables y pierden protones, otras partículas subatómicas o energía para formar elementos más estables. Estos se llaman isótopos radiactivos o radioisótopos.

Enlaces químicos

La forma en que los elementos interactúan entre sí depende de cómo están dispuestos sus electrones y de cuántas aberturas para los electrones existen en la región más externa donde los electrones están presentes en un átomo. Los electrones existen en niveles de energía que forman cáscaras alrededor del núcleo. La envoltura más cercana puede contener hasta dos electrones. La envoltura más cercana al núcleo siempre se llena primero, antes de que pueda llenarse cualquier otra envoltura. El hidrógeno tiene un electrón, por lo que sólo tiene un punto ocupado dentro de la capa más baja. El helio tiene dos electrones, por lo que puede llenar completamente la capa más baja con sus dos electrones. Si miras la tabla periódica, verás que el hidrógeno y el helio son los dos únicos elementos de la primera fila. Esto se debe a que sólo tienen electrones en su primera capa. El hidrógeno y el helio son los únicos dos elementos que tienen la capa más baja y ninguna otra capa.

Los niveles de energía segundo y tercero pueden contener hasta ocho electrones. Los ocho electrones están dispuestos en cuatro pares y una posición de cada par se llena con un electrón antes de que se complete cualquier par.

Volviendo a mirar la tabla periódica (Figura 2), observará que hay siete filas. Estas filas corresponden al número de capas que tienen los elementos dentro de esa fila. Los elementos de una fila determinada tienen un número creciente de electrones a medida que las columnas avanzan de izquierda a derecha. Aunque cada elemento tiene el mismo número de capas, no todas las capas están completamente llenas de electrones. Si observa la segunda fila de la tabla periódica, encontrará litio (Li), berilio (Be), boro (B), carbono (C), nitrógeno (N), oxígeno (O), flúor (F) y neón (Ne). Todos ellos tienen electrones que ocupan sólo la primera y la segunda capa. El litio sólo tiene un electrón en su capa más externa, el berilio tiene dos electrones, el boro tiene tres, y así sucesivamente, hasta que toda la capa se llena con ocho electrones, como es el caso del neón.

No todos los elementos tienen suficientes electrones para llenar sus capas más externas, pero un átomo es más estable cuando se llenan todas las posiciones de electrones en la capa más externa. Debido a estas vacantes en las capas más externas, vemos la formación de enlaces químicos, o interacciones entre dos o más elementos iguales o diferentes que dan lugar a la formación de moléculas. Para lograr una mayor estabilidad, los átomos tienden a llenar completamente sus capas exteriores y se unen a otros elementos para lograr este objetivo compartiendo electrones, aceptando electrones de otro átomo o donando electrones a otro átomo. Debido a que las capas más externas de los elementos con números atómicos bajos (hasta el calcio, con número atómico 20) pueden contener ocho electrones, esto se conoce como la regla del octeto. Un elemento puede donar, aceptar o compartir electrones con otros elementos para llenar su capa exterior y satisfacer la regla del octeto.

Cuando un átomo no contiene igual número de protones y electrones, se denomina ion. Como el número de electrones no es igual al número de protones, cada ion tiene una carga neta. Los iones positivos se forman perdiendo electrones y se llaman cationes. Los iones negativos se forman ganando electrones y se llaman aniones. Los nombres aniónicos de los elementos se cambian para que terminen en -ide.

Por ejemplo, el sodio sólo tiene un electrón en su capa más externa. El sodio necesita menos energía para donar ese electrón que para aceptar siete electrones más para llenar la capa exterior. Si el sodio pierde un electrón, ahora tiene 11 protones y sólo 10 electrones, quedando con una carga total de +1. Ahora se llama ion sodio.

El átomo de cloro tiene siete electrones en su capa exterior. De nuevo, es más eficiente energéticamente para el cloro ganar un electrón que perder siete. Por lo tanto, tiende a ganar un electrón para crear un ion con 17 protones y 18 electrones, dándole una carga neta negativa (-1). Ahora se llama ion cloruro. Este movimiento de electrones de un elemento a otro se denomina transferencia de electrones. Como muestra la figura 4, un átomo de sodio (Na) sólo tiene un electrón en su capa más externa, mientras que un átomo de cloro (Cl) tiene siete electrones en su capa más externa. Un átomo de sodio donará su único electrón para vaciar su capa, y un átomo de cloro aceptará ese electrón para llenar su capa, convirtiéndose en cloruro. Ambos iones cumplen ahora la regla del octeto y tienen las capas exteriores completas. Como el número de electrones ya no es igual al número de protones, cada uno es ahora un ion y tiene una carga de +1 (sodio) o -1 (cloruro).

Enlaces iónicos

Hay cuatro tipos de enlaces o interacciones: iónicos, covalentes, enlaces de hidrógeno e interacciones de van der Waals. Los enlaces iónicos y covalentes son interacciones fuertes que requieren un mayor aporte de energía para romperse. Cuando un elemento dona un electrón de su capa exterior, como en el ejemplo del átomo de sodio, se forma un ion positivo. El elemento que acepta el electrón está ahora cargado negativamente. Como las cargas positivas y negativas se atraen, estos iones permanecen juntos y forman un enlace iónico, o una unión entre iones. Los elementos se unen con el electrón de un elemento que permanece predominantemente con el otro elemento. Cuando los iones Na+ y Cl- se combinan para producir NaCl, un electrón de un átomo de sodio se queda con los otros siete del átomo de cloro, y los iones de sodio y cloruro se atraen entre sí en un entramado de iones con carga neta cero.

Enlaces covalentes

Otro tipo de enlace químico fuerte entre dos o más átomos es un enlace covalente. Estos enlaces se forman cuando se comparte un electrón entre dos elementos y son la forma más fuerte y común de enlace químico en los organismos vivos. Los enlaces covalentes se forman entre los elementos que componen las moléculas biológicas de nuestras células. A diferencia de los enlaces iónicos, los enlaces covalentes no se disocian en el agua.

Los átomos de hidrógeno y oxígeno que se combinan para formar las moléculas de agua están unidos por enlaces covalentes. El electrón del átomo de hidrógeno divide su tiempo entre la capa exterior del átomo de hidrógeno y la capa exterior incompleta del átomo de oxígeno. Para llenar completamente la capa exterior de un átomo de oxígeno, se necesitan dos electrones de dos átomos de hidrógeno, de ahí el subíndice «2» en H2O. Los electrones se comparten entre los átomos, dividiendo su tiempo entre ellos para «llenar» la capa exterior de cada uno. Este reparto es un estado de energía más bajo para todos los átomos implicados que si existieran sin sus capas exteriores llenas.

Hay dos tipos de enlaces covalentes: polares y no polares. Los enlaces covalentes no polares se forman entre dos átomos del mismo elemento o entre elementos diferentes que comparten los electrones por igual. Por ejemplo, un átomo de oxígeno puede unirse a otro átomo de oxígeno para llenar sus capas exteriores. Esta asociación es no polar porque los electrones se distribuirán por igual entre cada átomo de oxígeno. Se forman dos enlaces covalentes entre los dos átomos de oxígeno porque el oxígeno necesita dos electrones compartidos para llenar su capa exterior. Los átomos de nitrógeno formarán tres enlaces covalentes (también llamados triples covalentes) entre dos átomos de nitrógeno porque cada átomo de nitrógeno necesita tres electrones para llenar su capa más externa. Otro ejemplo de enlace covalente no polar se encuentra en la molécula de metano (CH4). El átomo de carbono tiene cuatro electrones en su capa más externa y necesita cuatro más para llenarla. Los obtiene de cuatro átomos de hidrógeno, cada uno de los cuales aporta uno. Todos estos elementos comparten los electrones por igual, creando cuatro enlaces covalentes no polares (Figura 5).

En un enlace covalente polar, los electrones compartidos por los átomos pasan más tiempo cerca de un núcleo que del otro. Debido a la distribución desigual de los electrones entre los diferentes núcleos, se desarrolla una carga ligeramente positiva (δ+) o ligeramente negativa (δ-). Los enlaces covalentes entre los átomos de hidrógeno y oxígeno del agua son enlaces covalentes polares. Los electrones compartidos pasan más tiempo cerca del núcleo de oxígeno, dándole una pequeña carga negativa, que cerca de los núcleos de hidrógeno, dando a estas moléculas una pequeña carga positiva.

Enlaces de hidrógeno

Los enlaces iónicos y covalentes son enlaces fuertes que requieren una energía considerable para romperse. Sin embargo, no todos los enlaces entre elementos son iónicos o covalentes. También se pueden formar enlaces más débiles. Se trata de atracciones que se producen entre cargas positivas y negativas que no requieren mucha energía para romperse. Dos enlaces débiles que se producen con frecuencia son los enlaces de hidrógeno y las interacciones de Van der Waals. Estos enlaces dan lugar a las propiedades únicas del agua y a las estructuras únicas del ADN y las proteínas.

Cuando se forman enlaces covalentes polares que contienen un átomo de hidrógeno, el átomo de hidrógeno de ese enlace tiene una carga ligeramente positiva. Esto se debe a que el electrón compartido es atraído con más fuerza hacia el otro elemento y se aleja del núcleo de hidrógeno. Como el átomo de hidrógeno es ligeramente positivo (δ+), será atraído por las cargas parciales negativas vecinas (δ-). Cuando esto ocurre, se produce una interacción débil entre la carga δ+ del átomo de hidrógeno de una molécula y la carga δ- de la otra molécula. Esta interacción se denomina enlace de hidrógeno. Este tipo de enlace es común; por ejemplo, la naturaleza líquida del agua se debe a los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua (Figura 6). Los enlaces de hidrógeno confieren al agua las propiedades únicas que sustentan la vida. Si no fuera por los enlaces de hidrógeno, el agua sería un gas en lugar de un líquido a temperatura ambiente.

Los enlaces de hidrógeno pueden formarse entre diferentes moléculas y no siempre tienen que incluir una molécula de agua. Los átomos de hidrógeno en enlaces polares dentro de cualquier molécula pueden formar enlaces con otras moléculas adyacentes. Por ejemplo, los enlaces de hidrógeno mantienen unidas dos largas cadenas de ADN para dar a la molécula de ADN su característica estructura de doble cadena. Los enlaces de hidrógeno también son responsables de parte de la estructura tridimensional de las proteínas.

Interacciones de van der Waals

Al igual que los enlaces de hidrógeno, las interacciones de van der Waals son atracciones o interacciones débiles entre moléculas. Se producen entre átomos polares, unidos covalentemente, en diferentes moléculas. Algunas de estas atracciones débiles están causadas por cargas parciales temporales que se forman cuando los electrones se mueven alrededor de un núcleo. Estas interacciones débiles entre moléculas son importantes en los sistemas biológicos.

Resumen de la sección

La materia es todo aquello que ocupa espacio y tiene masa. Está formada por átomos de diferentes elementos. Todos los 92 elementos que se encuentran en la naturaleza tienen cualidades únicas que les permiten combinarse de diversas maneras para crear compuestos o moléculas. Los átomos, formados por protones, neutrones y electrones, son las unidades más pequeñas de un elemento que conservan todas sus propiedades. Los electrones pueden ser donados o compartidos entre los átomos para crear enlaces, incluyendo enlaces iónicos, covalentes y de hidrógeno, así como las interacciones de van der Waals.