Ciencias Básicas Plan Común
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AGUA, ELEMENTOS MINERALES Y CARBOHIDRATOS TEMAS 1. Introducción La relación que se establece entre la Química y la Biología es fundamental. Los seres vivos estamos formados por unos cuantos tipos de elementos químicos que se combinan de manera precisa para estructurarnos. Claro que no bastaría con tomar estos elementos y combinarlos en la proporción adecuada para obtener un ser vivo, pues hay algo más que los puros porcentajes de elementos tras el fenómeno de la vida. La materia que nos conforma se organiza jerárquicamente en distintos niveles de organización. En esta clase se revisarán aquellos niveles que inician esta jerarquía y que tienen una estrecha relación con la Química. |
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2. La vida se basa en el carbono Los compuestos orgánicos se basan en el carbono combinado con oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y unos pocos elementos más. La estructura del átomo de carbono es la clave de tal diversidad de estructuras químicas. El átomo de carbono tiene seis protones y seis electrones: dos en la capa más interna y cuatro en la más externa.  Dada esta configuración, el carbono muestra poca tendencia a ganar o perder electrones, es decir, a ionizarse. En lugar de ello, forma enlaces covalentes estables con él mismo y con otros átomos. Las fuerzas que mantienen unido al compuesto orgánico más sencillo, el metano (CH4), también mantienen unidas a moléculas enormes que contienen millones de átomos. Como los átomos de carbono son capaces de unirse entre sí para formar cadenas, redes y círculos, la arquitectura molecular de los compuestos orgánicos es prácticamente ilimitada. Algunos de estos compuestos son creados por químicos orgánicos, son de importancia vital en nuestra vida cotidiana, como lo son los productos farmacéuticos y el plástico. El agua es la sustancia más abundante en el cuerpo de los seres vivos. La importancia del agua radica en las propiedades que presenta para los organismos. El agua es una molécula que está formada por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. El oxígeno es un elemento muy electronegativo, mientras que el hidrógeno es electropositivo. Esta situación determina que el enlace que se forma entre estos átomos mantenga los electrones más cerca del oxígeno (elemento electronegativo). La importancia de esta situación radica en que la molécula de agua queda como un dipolo eléctrico. Es decir, la zona del átomo de oxígeno representa el polo negativo (?-) y los átomos de hidrógeno el polo positivo (?+).
Lo anterior determina que el agua sea definida como un ión dipolar, es decir, dentro de la misma molécula de agua existen dos zonas de tendencia eléctrica opuesta. La importancia de esta situación es que cuando dos moléculas de agua están en una posición cercana se atraen por los polos opuestos, o sea, la región del átomo de oxígeno de una molécula se atrae con la región del átomo de hidrógeno de otra. La fuerza de atracción que mantendrá unidas a estas dos moléculas de agua es lo que se conoce como enlace o puente de hidrógeno.
Un puente de hidrógeno posee una fuerza de unión baja, es un enlace débil, aproximadamente diez veces menos fuerte que un enlace covalente. Sin embargo, la suma de numerosos puentes de hidrógeno puede aumentar considerablemente la fuerza de unión. Por ejemplo, un gramo de agua contiene 3,34 x 1022 moléculas de agua. Considerando que una molécula de agua puede formar al menos tres puentes de hidrógeno, podrás darte cuenta de la cantidad de estos enlaces que se forman en un solo gramo de agua. Una de las primeras propiedades que se estudia del agua es su cualidad de solvente universal. Esta propiedad se expresa en la capacidad de disolver una gran cantidad de sustancias, que se clasifican como polares. Las sustancias polares son aquellas que están formadas por átomos de electronegatividad opuesta, de tal forma que se forma un enlace iónico entre ellos. La capacidad del agua como solvente se basa en su condición de ión dipolar. En una solución de cloruro de sodio (NaCl), las moléculas de agua se disponen de manera que el polo positivo del agua interactúa con el anión de la sal (Cl) y el polo negativo del agua lo hace con el catión de la sal (Na). De esta forma, el agua se convierte en el medio de transporte para numerosas sustancias en forma de iones, principalmente dentro del organismo. Otra propiedad importante del agua es el alto calor específico que presenta. El calor específico se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua. En el caso del agua, este calor específico es alto, lo cual está determinado por la presencia de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua. Dada la gran cantidad de puentes de hidrógeno que se forman en la masa de agua la fuerza de cohesión entre las moléculas es grande. Por ello, para lograr separar las moléculas de agua una de otra, es necesario aplicar una mayor cantidad de energía. Desde el punto de vista biológico, esta propiedad es importante en la función de termorregulación. Los animales homeotermos (aquellos que son capaces de regular su temperatura y mantenerla independientemente de la temperatura ambiental) contienen en su organismo un gran porcentaje de agua. El agua funciona como un amortiguador de los cambios de temperatura, debido a que antes de que se modifique la temperatura corporal el agua es la encargada de absorber ese calor. Otra propiedad es la alta tensión superficial. La tensión superficial de un líquido es la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área.
Los líquidos que tengan fuerzas de atracción intermoleculares fuertes tendrán tensión superficial elevada, que es lo que ocurre con las moléculas de agua y los enlaces de hidrógeno entre ellas. Esta propiedad del agua se manifiesta en el fenómeno de capilaridad que permite el ascenso de la savia en los vegetales. En ocasiones, la tensión superficial puede constituir un factor negativo. Es lo que ocurre a nivel de los alvéolos pulmonares que deben ser húmedos para un correcto intercambio gaseoso. Si el agua desarrolla la tensión superficial el alvéolo, vería reducida su superficie, con el peligro de colapsar (atelectasia). A nivel de las células alveolares se produce una lipoproteína que actúa como un detergente, disminuyendo la tensión superficial, evitando el colapso alveolar. Enlaces químicos Se forman enlaces semejantes entre las moléculas orgánicas con carga. Por ejemplo, se forma un enlace iónico entre un ión carboxilo (COO-) con carga negativa y el grupo amino (NH4+) con carga positiva. Los enlaces covalentes y los iónicos son enlaces fuertes. Sin embargo, existe otra clase de enlaces que son débiles entre átomos y moléculas. Estas fuerzas surgen debido a que ciertos átomos, en determinado momento, pueden tener una distribución de carga eléctrica no uniforme; aunque a lo largo del tiempo dicha carga está distribuida de manera uniforme. Esta distribución de carga fluctuante da al átomo una polaridad: una parte de él tiene una carga ligeramente negativa con respecto a las demás partes. Esta polaridad induce una polaridad opuesta en los átomos y moléculas vecinas, de manera que una carga temporal negativa de determinado átomo puede experimentar atracción hacia una carga temporal positiva de otro. Estas fuerzas se llaman de van der Waals y son aproximadamente 100 veces más débiles que el enlace covalente. Sin embargo, tienden a mantener juntas las moléculas entre sí. Puentes de hidrógeno Los líquidos que tengan fuerzas de atracción intermoleculares fuertes tendrán tensión superficial elevada, que es lo que ocurre con las moléculas de agua y los enlaces de hidrógeno entre ellas. Esta propiedad del agua se manifiesta en el fenómeno de capilaridad que permite el ascenso de la savia en los vegetales. En ocasiones, la tensión superficial puede constituir un factor negativo. Es lo que ocurre a nivel de los alvéolos pulmonares que deben ser húmedos para un correcto intercambio gaseoso. Si el agua desarrolla la tensión superficial el alvéolo, vería reducida su superficie, con el peligro de colapsar (atelectasia). A nivel de las células alveolares se produce una lipoproteína que actúa como un detergente, disminuyendo la tensión superficial, evitando el colapso alveolar. 6. Reacciones en los seres vivos Aunque en determinadas células de un cierto organismo se pueden efectuar miles o decenas de miles de reacciones, todas ellas se clasifican en unos cuantos tipos fundamentales. El conocimiento de estos tipos de reacciones es la base de la comprensión de la bioquímica. En general, la reacciones que liberan energía son oxidaciones, y los procesos de síntesis, como de formación de material de las plantas mediante la fotosíntesis, son reducciones. Sin embargo, es conveniente considerar la reacciones de oxidación y reducción a nivel fundamental del flujo de electrones. En la oxidación una sustancia pierde electrones y en la reducción otra sustancia los gana. La pérdida de electrones es un proceso que libera energía. El flujo de electrones entre distintas sustancias es un proceso biológicamente útil. Por ejemplo, se ha desarrollado para capturar energía a partir de combustible como los carbohidratos y grasas en la respiración celular. Así también en la captación de energía biológicamente útil durante la fotosíntesis. De esta manera, el salto del electrón de una especie a otra significa liberación de energía, la que se utiliza para formar ATP, por ejemplo. Condensación e hidrólisis La unión de monómeros para generar macromoléculas casi siempre se efectúa por el proceso que se denomina condensación. Las dos moléculas que se condensan pierden los elementos que forman una molécula de agua y quedan unidas por un átomo de oxígeno.
7. Polimeros y macromoléculas Las cadenas pueden ser ramificadas o sin ramificaciones. Cuando las unidades son idénticas se tiene un homopolímero; si las unidades son diferentes, se trata de un heteropolímero. Los compuestos en los organismos no difieren fundamentalmente de los que se emplean en química orgánica. Los organismos también manipulan sus moléculas de distintas formas para almacenar o liberar energía, para actuar como catalizadores, para guardar información, para construir los elementos mecánicos que requieren, y para otros fines. La mayoría de las biomoléculas que utilizan los organismos en su funcionamiento son polímeros. Los polímeros biológicos o macromoléculas también están constituidos por monómeros que son pequeños bloques de construcción moleculares. Algunos son homopolímeros del azúcar glucosa, que es un monosacárido. Otros, como las proteínas, son heteropolímeros que se forman al enlazarse una determinada secuencia de aminoácidos. Los polímeros o macromoléculas de los organismos pertenecen a una de sólo tres clases de compuestos. Los que están formados por aminoácidos son proteínas; los formados por azúcares son polisacáridos; y el tercer tipo, constituido por nucleótidos que se unen entre sí, se denominan ácidos nucleicos. Recordemos que las grasas o lípidos, siendo compuestos orgánicos, no forman polímeros. 8. Carbohidratos
La unión de dos glucosas ocurre por condensación y da como resultado un disacárido.
Cuando el número de unidades es mayor y prácticamente no se puede cuantificar, se presenta un polisacárido.
9. Funciones de las carbohidratos Energéticas. La glucosa es uno de los carbohidratos más sencillos y abundantes, representando la molécula combustible que satisface las demandas energéticas de la mayoría de los organismos. De reserva. Los carbohidratos se almacenan en forma de almidón en los vegetales y de glucógeno en los animales. En ambos casos, estos polisacáridos pueden degradarse a glucosa. Compuestos estructurales. Es el caso de la celulosa en vegetales y de la quitina en artrópodos. Precursores. Los carbohidratos son precursores de ciertos lípidos, proteínas y dos factores vitamínicos (vitamina C) y el inositol. Señales de reconocimiento. Los carbohidratos intervienen en complejos procesos de reconocimiento celular (antígenos de superficie), en la aglutinación (grupos sanguíneos), coagulación y reconocimiento de hormonas. |
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