Bases Químicas de la Vida
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Bases Químicas de la Vida
Seres vivos
• Un ser vivo es un conjunto de átomos y moléculas, que
forman una estructura material muy organizada y
compleja, en la que intervienen sistemas de
comunicación molecular que se relaciona con el
ambiente con un intercambio de materia y energía de
una forma ordenada y que tiene la capacidad de
desempeñar las funciones básicas de la vida que son la
nutrición, la relación y la reproducción, de tal manera
que los seres vivos actúan y funcionan por sí mismos sin
perder su nivel estructural hasta su muerte. Los seres
vivos comprenden unos 1,75 millones de especies
descritas y se clasifican en dominios y reinos. La
clasificación más extendida distingue los siguientes
taxones:
http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Phylogenetic_tree-es.png
Los seres vivos pueden clasificarse dentro de tres dominios principales.
Archaea (arqueas). Organismos procariontes que presentan
grandes diferencias con las bacterias en su composición molecular.
Se conocen unas 300 especies. Muchas son extremófilos.
Bacteria (bacterias). Organismos procariontes típicos.
Están descritas unas 10,000 especies.
Protista (protozoos). Organismos eucariontes generalmente unicelulares.
Con unas 55,000 especies descritas.
Fungi (hongos). Organismos eucariontes, unicelulares o pluricelulares
talofíticos y heterótrofos que realizan una digestión externa de sus alimentos.
Comprende unas 100.000 especies descritas.
Plantae (plantas). Organismos eucariontes generalmente pluricelulares, autótrofos
y con variedad de tejidos. Comprende unas 300,000 especies.
Animalia (animales). Organismos eucariontes, pluricelulares, heterótrofos,
con variedad de tejidos que se caracterizan, en general, por su capacidad
de locomoción. Es el grupo más numeroso con 1,300,000 de especies descritas.
Materia
• Se define como todo aquello que tiene
peso y ocupa espacio. Todo lo que
compone la vida y lo no vivo esta hecho
de materia. La materia esta hecha de
sustancias puras llamadas elementos y
éstos a su vez estan hechos de partículas
llamadas átomos.
Elemento químico
Sustancia que no puede ser descompuesta o
dividida en sustancias más simples por
medios químicos ordinarios. En la tierra ha
sido determinada, hasta ahora, la existencia
de 100 elementos químicos. Los científicos
asignan a cada elemento un símbolo químico
que por lo general corresponde a la primera
letra o las dos primeras letras de su nombre
en español o latín.
Elemento químico cont.
• En los seres vivos existen cuatro
elementos: Oxígeno-Carbono-
Hidrógeno-Nitrógeno que constituyen
más del 96% de su masa corporal. Otros
como Calcio, Fósforo, Potasio y Magnesio
tambien son comunes. Elementos como
el Yodo, Cobre, Zinc y Manganeso son
oligoelementos o elementos trazas.
Teoría atómica
• Demócrito (460-370 AC). Filósofo griego.
De los primeros en postular la teoría
atómica. Señalaba que el “arké” o átomos
eran lo indivisible y que toda realidad
estaba compuesta por dos únicos
elementos: el vacío y los átomos. Estas
partículas se mueven contínuamente en el
vacío y según su forma y tamaño
constituyen los principales cuerpos físicos.
Demócrito ofrece una explicación
totalmente material y mecanicista del
mundo. Su ética, era ante todo práctica
y encaminada al bien común. “El
hombre debe aspirar a la epitimia o
tranquilidad de espíritu, libre de
temores y emociones, y su
búsqueda ha de ser garantizada por
unas leyes justas de convivencia.”
Teoría atómica cont.
• La teoría atómica moderna se basa en los
modelos de Dalton, Schrodinger y Bohr.
Esta teoría se desarrolló durante los siglos
XIX y XX Un núcleo con carga positiva y
unas partículas con carga negativa
circundando el mismo.
Conferencia de Solvay de 1927; reunía científicos prominentes de
la época, ¿a cuantos puede identificar?
Átomo
• Es la porción más pequeña de un
elemento que retiene las propiedades
químicas de éste. Técnicas especiales de
microscopía electrónica de barrido con
hasta cinco millones de veces de
amplificación han permitido a los
investigadores fotografiar las posiciones
de algunos átomos grandes en las
moléculas que los contienen.
Modelo Atómico
• Los científicos han descubierto varias partículas subatómicas pero para fines de este curso consideraremos tres:
• Electrón: partícula con carga negativa, con una masa atómica ínfima y localizado en regiones fuera del núcleo atómico llamadas orbitales. Los electrones juegan un papel de suma importancia en las reacciones químicas de los elementos.
Modelo Atómico cont.
• Protón: carga positiva, cada elemento
tiene un número fijo de protones que se
denomina el número atómico y se escribe
a la parte inferior izquierda del símbolo
químico 8O. Los protones están
localizados en el núcleo atómico. La
masa del protón es de 1 unidad de masa
atómica o Dalton.
Modelo Atómico cont.
• Neutrón: partícula sin carga. Localizados
en el núcleo atómico. La masa del neutrón
es de 1 unidad de masa atómica o Dalton.
El número de neutrones en un átomo
pede variar variando su masa atómica
dando orígen a los llamados isótopos.
Los isótopos tienen gran utilidad en
biología, lo cual se discutira más adelante.
Masa Atómica
• La masa de un átomo es sumamente
pequeña al compararla con la masa de
cualquier objeto visible al hombre. Para
expresarla de forma numérica se ha
designado el Dalton como unidad de masa
atómica (uma). Esto se hace en honor a
John Dalton; químico que postuló la teoría
atómica a principios del siglo XIX.
Masa Atómica cont.
• Una uma es igual a la masa aproximada
de un protón o neutrón. El número de
masa atómica de un elemento se expresa
en la parte superior izquierda del símbolo
del elemento 16
O.
Masa atómica(12)
símbolo C Número atómico(6)
Partícula Carga Masa aproximada Ubicación
Protón Positiva 1 uma Núcleo
atómico
Neutrón Neutra 1 uma Núcleo
atómico
Electrón negativa Aprox. 1/800 uma Fuera del
núcleo
Tamaño del átomo y partículas sub-atómicas
Tabla Periódica
• Clasifica a los elementos conocidos a base de
sus propiedades en familias y períodos. El
investigador ruso Dmitri Mendelev agrupó los
elementos de acuerdo a sus pesos atómicos.
En términos generales los grupos principales
son: metales alcalinos (Na, K); alcalinotérreos
(Ca, Mg); no metales (B, C, O, N, F); gases
nobles (He, Ne, Ar); metales de trancisión (Au,
Cu, Ag, Hg) y otros.
Tabla Periódica
Elementos de Interés Biológico
• Oxígeno: elemento de mayor abundancia
en los seres vivos y en los minerales de la
Tierra; presente en la mayoría de los
compuestos orgánicos y en el agua.
• Carbono: forma el esqueleto de las
moléculas orgánicas. Capaz de formar
cuatro enlaces consigo u con otros
elementos.
Elementos de Interés Biológico
cont. • Hidrógeno: presente en la mayoría de los
compuestos orgánicos; componente del
agua. En su forma de ión H+
participa en
reacciones de transferencia de energía en
la célula.
• Nitrógeno: componente de todas las
proteínas y los ácidos nucleicos;
componente de la clorofila.
Elementos de Interés Biológico
cont. • Calcio: Componente estructural de huesos y
dientes. En su forma de ión Ca+ +
es importante
en la contracción muscular, conducción de
impulsos nerviosos y coagulación sanguínea;
presente en la pared celular vegetal.
• Fósforo: Componente de los ácidos nucleicos,
y de los fosfolípidos en las membranas.
Importante en las reacciones de energía en la
célula. Componente estructural de los huesos.
Elementos de Interés Biológico
cont.
• Potasio (K): Es el principal ión positivo
(K+
) en el líquido intersticial de los
animales. De gran importancia para la
transmisión nerviosa y las contracciones
musculares; controla la apertura de las
estomas en las plantas.
• Azufre (S): Componente de algunas
proteínas
Elementos de Interés Biológico
cont.
• Sodio(Na): Principal catión Na+
del
líquido intersticial; importante en la
conducción del impulso nervioso, de poca
importancia para las plantas.
• Magnesio (Mg): Necesario en la sangre y
otros tejidos de los animales; agente
activador de muchas enzímas.
Componente de la clorofila.
Elementos de Interés Biológico
cont.
• Cloro (Cl): El ión cloruro Cl –
es el
principal ión negativo (anión) del líquido
intersticial; importante en el equilibrio
hídrico y escencial para fotosíntesis.
• Hierro (Fe): Componente de la
hemoglobina en animales; funciona como
activador enzimático.
Radioisótopos
• La mayoría de los elementos consisten de
átomos con diferentes números de
neutrones y por ende, diferente masa. A
estas formas atómicas de un mismo
elemento se les llama isótopos. Los
isótopos poseen el mismo número de
protones y electrones y difieren en el
número de neutrones.
Radioisótopos cont.
• Todos los isótopos de un elemento
poseen las mismas características
químicas. Algunos isótopos son
inestables y tienden a desintegrarse o
decaer en otro isótopo más estable (en
ocasiones convirtiéndose en otro
elemento) y emitiendo energía en forma
de radiación.
Diagrama ilustrativo de los isótopos de hidrógeno.
Radioisótopos cont.
• Por ejemplo la desintegración radiactiva
del 14
C produce la forma común del
nitrógeno 14
N con la conversión de un
neutrón del C en un protón para cambiar
el número atómico a 7 (correspondiente a
Nitrógeno).
Uso de radioisótopos en
biología • A pesar de tener diferente número de
neutrones, los isótopos de un elemento se
comportan químicamente de forma similar,
lo cual permite que sean excelentes para
estudios. Radioisótopos como 3
H
(tritio), 14
C y 32
P, han sido de gran
importancia para estudios que van
desde la antiguedad de los fósiles
hasta la síntesis y metabolismo de
sustancias corporales.
Uso de radioisótopos en
biología cont. • En seres humanos, los radioisótopos se
usan para estudiar el funcionamiento de la
glándula tiroides (32
P), para medir el ritmo
de producción de glóbulos rojos y para
medir otros aspectos de funcionamiento
de la química corporal. El hecho de que
la radiación obstaculiza la división
celular se ha utilizado como
herramienta en el tratamiento de cáncer
(radioterapia).
Radioisótopos como fuente de
Energía (Energía Nuclear) • El elemento más utilizado como combustible
nuclear lo es (235
U), el cual es partido (fisión) a
Molibdeno (103
Mo), y Estaño (131
Sn). La cantidad
de energía liberada en las reacciones nucleares
es enorme al compararla con la cantidad de
materia requerida. Una porción de de 8.5
gramos de uranio (3% puro) puede producir la
energía equivalente a una tonelada de carbón o
4 barriles de petróleo (1 barril=42 gal.).
Radioisótopos como fuente de
(Energía Energía Nuclear) cont. • En términos generales las reacciones
nucleares implican el bombardeo con neutrones de algún isótopo inestable para generar una reacción en cadena (no se detiene hasta que el combustible se termina). La energía liberada en esta reacción (fisión o fusión) nuclear se utiliza para producir vapor de agua y mover turbinas de alta velocidad que a su vez generan electricidad.
Radioisótopos como fuente de
(Energía Energía Nuclear) cont. • Las reacciones en cadena presentan la
problemática de que una vez iniciadas son
difíciles de controlar lo cual hace la
generación de energía nuclear una
práctica riesgosa. En ocasiones, la
complejidad de manejo de estos sistemas
hace que se cometan errores humanos
conducentes a graves situaciones:
Chernobyl, Three Mile Island.
Configuración Electrónica
• Tal como se había explicado
anteriormente, los electrones de un
átomo, son partículas cargadas
negativamente que se desplazan por
regiones llamadas orbitales. La energía
de un electrón depende del orbital que
ocupa, siendo la generalidad, que
mientras más lejos del núcleo se hallan
mayor es su energía.
Electrones de Valencia
• Los electrones más lejanos al núcleo son los de mayor energía pues se necesita más energía para alejarles del núcleo positivo que los atrae. Así, los electrones de mayor energía son llamados Electrones de Valencia y ocupan la llamada capa de valencia. Los electrones de valencia son aquellos que un átomo puede ganar perder o compartir al reaccionar químicamente con otro.
Electrones de Valencia cont.
• Los elementos que se encuentran en una
misma columna (familia) en la Tabla
Periódica, tienen propiedades químicas
similares, debido a que sus capas de
valencia tienen tendencias similares a
perder, ganar o compartir electrones.
Electrones de Valencia cont.
• Por ejemplo: cloro y bromo tienen siete
electrones en su capa de valencia y tienden a
ganar 1 para completar 8 lo çual les hace
altamente reactivos al encontrarse en presencia
de hidrógeno, sodio y potasio, los cuales tienen
solo 1 electrón en su capa de valencia, el cual
tienden a perder con facilidad. La capa de
valencia de los gases nobles o inertes está
llena, razón por la cual estos no reaccionan.
Configuración electrónica de
Elementos de interés Biológico
Átomo Símbolo Electrones
de
Valencia
Carbono C 4
Hidrógeno H 1
Oxígeno O 2
Nitrógeno N 3
Formula Molecular
• Es la forma abreviada de indicar de qué está
compuesta una partícula de alguna sustancia en
donde hay más de un átomo. Ej: O2 indica una
partícula formada por dos átomos de oxígeno.
H2O indica una partícula formada por dos
átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.
• La formula química es la manera abreviada de
representar la composición de un compuesto ej:
H2O, C6H12O6, etc.
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