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Átomos y moléculas:
La base química de la vida
Capítulo 2
Robert 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
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
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
Biology, Sixth Edition
Chapter 2, Atoms and Molecules
Si esto fuese un
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
+
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
Orbitales
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
Biology, Sixth Edition
Chapter 2, Atoms and Molecules
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
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 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
NO PUEDE GANAR 7 epara 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
Salt
—
H
H —
O
H
—
—
—
H
Cl— Na+
H
—
—
Cl—
—
Na+
—
Cl—
Na+
H
H —
O
—
Na+
—
—
H
—
O
Cl— H
—
+
O
O
H
O
Na+
—
—
—
Cl—
—
Na+
Cl—
Na+
Cl—
H — H
O
—
H
H
—
—
O
H
Cl—
—
—
Fig. 2.10
Slide 8
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
d+
• Las cargas parciales
estan representadas por
(d)
• Los enlaces entre O y H
son enlaces polares
covalentes
d-
d+
Los e- pasan mas tiempo
cerca del O
Electronegative
atoms
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
4 Fe 4 Fe3+ + 12 eOXIDACIÓN
Agente oxidante
3 O2 + 12 e- 6 O2REDUCCIÓN
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)
• NaOH (base)
H+ + ClNa+ + 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 OHes 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
Carbon dioxide
H2CO3
Carbonic acid
H+ + HCO3Bicarbonate 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
Sodium
Potassium
Hydrogen
Magnesium
Calcium
Iron
Formula
Na+
K+
H+
Mg2+
Ca2+
Fe2+ or Fe
Ammonium
NH4+
3+
Charge
+1
+1
+1
+2
+2
+2 or +3
+1
Aniones importantes para la vida
Name
Chloride
Iodide
Carbonate
Bicarbonate
Phosphate
Acetate
Sulfate
Hydroxide
Nitrate
Nitrite
Formula
ClICO32HCO3 PO43CH3COOSO42OHNO3NO2-
Charge
-1
-1
-2
-1
-3
-1
-2
-1
-1
-1