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Capítulo 2:Base Química de la

Vida

Dr. Fernando J. Bird-PicóDepartamento de Biología

Recinto Universitario de Mayagüez

• El conocimiento de la química es esencial para estudiar y entender los procesos de vida en los organismos

• Para ello es importante conocer algo sobre la materia, y la química de compuestos inorgánicos

Química inorgánica

Elementos y compuestos

• Los organismos se componen de materia

• Materia : ocupa espacio y tiene masa; esta compuesta de elementos.

• Elemento químico :• Aquella sustancia que no puede ser

reducida a otras más simples por reacciones químicas ordinarias sin perder su identidad

• Cada elemento tiene su símbolo químico:–C, Ca, Se, Ag, Fe, Mg, Mn, H, O, N

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• Hay 92 elementos naturales, 25 de los cuales son esenciales para la vida y solamente cuatro (4) forman la mayoría (96%) de la masa corpórea de los organismos:• Oxígeno, carbono, hidrógeno, y nitrógeno

• Además de éstos, hay otros elementos como el calcio, fósforo que se encuentran en menor abundancia, y otros solamente como elementos trazas: requeridos en cantidades minúsculas

Table 2.1

Ejemplos de funciones que llevan a cabo ciertos elementos en organismos

(a) Deficiencia de Nitrógeno

Fig. 2-4

(b) Deficiencia de Iodo

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• Átomo:• La unidad más pequeña del elemento

que retiene sus propiedades químicas

• El átomo se compone de partículas subatómicas:• Protones — con carga positiva• Neutrones — sin cargas• Electrones — con carga negativa y

muy pequeños (1/1800 de Prot-Neut)

• Número atómico : Cada elemento posee un número fijo de protones en el núcleo del átomo que establece las propiedades químicas del elemento.

• Se encuentra como suscrito al símbolo químico [ 6C ]

• La Tabla Periódica ordena los elementos químicos por su número

Tabla Periódica (con modelos de Bohr)Figure 2.7

Atomic mass

Atomic number

Element symbol

Electrondistributiondiagram

2

4.003He

Helium2He

Neon10Ne

Fluorine9F

Oxygen8O

Nitrogen7N

Carbon6C

Boron5B

Beryllium4Be

Lithium3Li

Secondshell

Firstshell

Hydrogen1H

Argon18Ar

Chlorine17Cl

Sulfur16S

Phosphorus15P

Silicon14Si

Aluminum13Al

Magnesium12Mg

Sodium11Na

Thirdshell

• Masa atómica de un átomo:• Es un número que nos indica cuanta

materia contiene el átomo: suma de protones, neutrones y electrones

• Se expresa en unidades de masa atómica (uma), conocida también como daltones.

• Se encuentra como superescrito al lado del símbolo químico [ 12C ]: verdaderamente es 12.01

• Es cantidad relativa ya que toma en consideración la abundancia en la naturaleza de los isótopos de dicho elemento

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• Isótopos• Aquellas formas variantes de átomos de un mismo

elemento• Contienen el mismo número de protones (identidad

química no se altera) y electrones, pero diferente número de neutrones (12C, 13C, 14C]

• Se les llama radioisótopos• Los radioisótopos son inestables y

tienden a destruirse con el tiempo, en isótopos más estables, cambiando identidad química y emitiendo radiación en el proceso

• Ej. Protio, deuterio, tritio, uranio, etc.

Isótopos del elemento Carbono

Isótopos radioactivos (Radioisótopos)

• En la investigación biológica, los isótopos radioactivos se utilizan en diferentes aplicaciones:• Calcular edad de

fósiles• Rastrear átomos en

reacciones químicas de los procesos metabólicos

• En el diagnóstico de desórdenes médicos

Tejido cancerosoen la garganta

• Fuera del núcleo atómico• Se mueven en orbitales

organizados alrededor del núcleo atómico

• Electrones que poseen el mismo nivel de energía configuran una capa electrónica

Electrones

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• Aquellos electrones localizados más lejos del núcleo atómico poseen mayor cantidad de energía que los más cercanos al núcleo.

• Los electrones de valencia son aquellos electrones que ocupan la capa de valencia y los responsables de los enlaces con otros átomos para producir moléculas

• Los cambios en los niveles de energía en los electrones son importantes en las transferencias energéticas que se llevan a cabo en los organismos

Figure 2.6

(a) A ball bouncing down a flightof stairs provides an analogyfor energy levels of electrons.

Third shell (highest energylevel in this model)

Second shell (next highestenergy level)

First shell (lowest energylevel)

Atomicnucleus

Energylost

Energyabsorbed

(b)

Orbitales Atómicos

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• El comportamiento químico de un átomo es determinado por el número y distribución de sus electrones de valencia

• Cuando un nivel de valencia se encuentra incompleto, el átomo tiende a perder, ganar y/o compartir electrones con otros átomos para formar moléculas o compuestos.

• Un compuesto químicoconsiste de átomos de dos o más elementos [H2O]

• Los átomos se combinan en una taza o razón fija de acuerdo a su capa de valencia

• Los átomos de un mismo elemento se pueden unir para formar una molécula [H2, O2]

Figure 2.9-3Átomos de Hidrógeno (2 H)

Molécula de Hidrógeno(H2)

+ +

+ +

+ +

• Fórmula química: forma compacta de describir la composición química de una sustancia:• Fórmula simple (símbolo químico y

número asociado de los átomos)• Fórmula molecular (espacio ocupado)• Fórmula estructural (demuestra el

arreglo físico de los átomos - H-O-H en vez de H-H-O)

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Figure 2.10

Name andMolecularFormula

ElectronDistribution

Diagram

Lewis DotStructure and

StructuralFormula

Space-FillingModel

(d) Methane (CH 4)

(c) Water (H 2O)

(b) Oxygen (O 2)

(a) Hydrogen (H 2)

H H

O O

O H

H

C H

H

H

H

• Masa molecular• La suma de las masas atómicas de

los átomos que componen una molécula

• Un mol es el equivalente en gramos al peso molecular de la molécula en cuestión (Glucosa: C6H12O6 - ¿?)

• Número de Avogrado: 6.02 x 1023

• La medida del mol nos permite comparar átomos y moléculas de masas muy dispares.

• Enlaces químicos• Fuerzas de atracción que mantienen los

átomos de un compuesto unidos entre sí • Hay dos tipos principales de enlaces

químicos: – Enlaces covalentes– Enlaces iónicos

• Energía de enlace: • La energía necesaria para romper un

enlace químico

• Enlaces covalentes• Comparten electrones entre átomos• Cada átomo ha satisfecho su capa de

valencia en el proceso

• Compuesto covalente• Aquel compuesto que consiste

principalmente de enlaces covalentes–Ej: H2

• El enlace puede ser sencillo, doble, o triple

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Enlaces Covalentes: comparten e- Número de enlaces covalentes que pueden formar algunos átomos

Los enlaces covalentes pueden ser polares o nó polares [H2O, H2]

Electronegatividad:medida de la fuerza de atracción que ejerce el átomo sobre los e- en los

enlaces químicos

• Si la electronegatividad es igual en ambos átomos, la forma de la molécula se mantiene simétrica en cuanto a orbitales de e- se refiere. Ejemplo: H2

• Si no es igual, entonces el átomo más electronegativo tiende a halar los e- del menos electronegativo y crea carga parcialmente + en éste último

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Figure 2.14

Water (H2O)

Ammonia (NH 3)

Hydrogen bondδ+

δ−

δ+δ+

δ+

δ+δ−Forma y Función Molecular

• La forma de una molécula usualmente es muy importante a la función que ejerce

• La forma de una molécula esta determinada por la posición de sus orbitales de valencia

• En un enlace covalente, los orbitales s y p pueden hibridarse, creando formas moleculares específicas

Geometría molecular

Figure 2.15

s orbitalz

y

x

(a) Hybridization of orbitals

Four hybrid orbitals

Tetrahedron

Threep orbitals

(b) Molecular-shape models

Methane (CH 4)

Water (H2O)

Space-FillingModel

Ball-and-StickModel

Hybrid-Orbital Model(with ball-and-stick

model superimposed)

Unbondedelectronpair

H

HHH

C

H

H

HHC

HH

O

HH

O

104.5°

• Las moléculas biológicas se reconocen e interaccionan entre sí de forma específica sobre la base de su forma molecular

• Moléculas con formas similares pueden tener efectos biológicos similares

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Figure 2.16

Natural endorphin

(a) Structures of endorphin and morphine

Morphine

KeyCarbonHydrogen

OxygenSulfurNitrogen

Morphine

Natural endorphin

EndorphinreceptorsBrain cell

(b) Binding to endorphin receptors© 2014 Pearson Education, Inc.

• Ión• Aquella partícula que posee una o

más unidades de carga eléctrica• Es el resultado de la pérdida o

ganancia de electrones en los átomos–Cationes — iones con carga positiva–Aniones — iones con carga negativa

• Los cationes y aniones están envueltos y son importantes en procesos biológicos, como la contracción muscular, transmisión del impulso nervioso, etc.

Los iones de sodio, potasio y cloruro son esenciales para la estimulación nerviosa de esta fibra muscular

• Enlaces iónicos:• Formados por la atracción entre

cationes y aniones• Un compuesto iónico es una

sustancia que consiste de cationes y aniones enlazados entre sí–Ej. Na+ y Cl-

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• NaCl verdaderamente no es una molécula; en su forma cristalina cada átomo de sodio (Na) está rodeado de seis átomos de cloruro (Cl) aunque la razón es de 1:1

Enlace Iónico

Fig. 2-14-2

Na Cl Na Cl

NaÁtomo de Sodio Átomo de cloruro

Cl Na+Ión de sodio

(catión)

Cl–Ión cloruro

(anión)

Cloruro de Sodio (NaCl)

Hidratación

• Enlaces de hidrógeno:• Tendencia a formarse entre un átomo

con carga parcial negativa y un hidrógeno unido covalentemente a un átomo de oxígeno o nitrógeno

• Se forman y rompen con facilidad• Cada uno de ellos es débil, pero

cuando hay miles de ellos actuando a la vez resultan ser fuertes y estables.

Fig. 2-16 δ− δ+

δ+

δ−

δ+

δ+

δ+

Agua (H 2O)

Amonia (NH 3)

Enlace de Hidrógeno

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Otras interacciones entre átomos

• Fuerzas de van der Waals : cuando las moléculas se encuentran cercanas unas a otras, se atraen debido a interacciones de nubes de e-

• Interacciones hidrofóbicas : entre grupos de moléculas no polares= estas moléculas se agrupan entre sí y son insolubles en agua. Los enlaces de H del agua actúan entre sí y “arrinconan” a estas moléculas no polares. Ejemplo: aceite y agua

Las reacciones químicas en organismos:• Se describen por ecuaciones químicas• Los reactivos se escriben a la izquierda• Los productos se escriben a la derecha• Las reacciones pueden proceder de forma simultánea en ambas

direcciones• En un equilibrio dinámico, las tasas de reacción en ambas

direcciones es igual

• Muchas de las transformaciones de energía en las células envuelven la transferencia de electrones de una sustancia a otra (respiración celular, fotosíntesis, etc.)

• Estas reacciones se les conocen como oxidación-reducción, o simplemente reacciones redox

• 6 CO2 + 6 H20 → C6H12O6 + 6 O2

RedOx

• Oxidación : proceso químico en el cual un átomo, ión o molécula pierde o dona e-

• Reducción : proceso químico en el cual un átomo, ión o molécula gana o acepta e-

• Ambos procesos pueden ocurrir simultáneamente

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• Enmohecimiento:• 4 Fe + 3 O2 � 4 Fe3+ + 6O2-

• Los e- no se remueven fácilmente de los compuestos covalentes, a menos que se remueva el átomo por completo–Oxidación en las células :

remueve H, átomo del compuesto–Reducción en las células : acepta

H, átomos del compuesto