TORTORA-DERRICKSON INTRODUCCIÓN AL CUERPO HUMANO FUNDAMENTOS DE ANATOMÍA Y FISIOLOGÍA 1 DOCUMENTO CON FINES DOCENTES PEM MANUEL JOSÉ SANDOVAL URÍZAR CAPÍTULO 2 QUÍMICA BÁSICA ¿Sabía que…? ¿Cuán a menudo escuchó hablar acerca de las grasas de la dieta? Es probable que haya presenciado numerosos debates acerca de los beneficios para la salud de las grasas (ácidos grasos) monoinsaturadas y poliinsaturadas en contraposición con las saturadas. La bioquímica de los ácidos grasos es la responsable de las funciones fisiológicas que éstos desempeñan. Gran parte de las investigaciones se han centrado en el comportamiento de las diversas clases de ácidos grasos presentes en el cuerpo. Hace algunos años muchos científicos pensaban que se debían consumir bajas cantidades de todos los tipos de grasas para evitar las enfermedades cardíacas. Ahora creen que ciertos tipos de ácidos grasos no saturados, como los que se encuentran en los aceites de pescado, pueden reducir el riesgo de enfermedades cardiovasculares. (Ver Anexo B. Vida Sana) Muchas de las sustancias que con frecuencia comemos y bebemos (agua, azúcar, sal de mesa, proteínas, almidones, grasas) desempeñan papeles fundamentales para mantenernos con vida. En este documento, usted aprenderá cómo actúan esas sustancias en su cuerpo. Ya que éste se compone de sustancias químicas y todas las actividades corporales son de naturaleza química, es importante familiarizarse con lenguaje y los fundamentos de la Química para comprender la anatomía y la fisiología humana. INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA Objetivos: Definir un elemento químico, un átomo, un ión, una molécula y un compuesto. Explicar cómo se forman los enlaces químicos. Describir qué ocurre en una reacción química y explicar por qué es importante para el cuerpo humano. La Química es la ciencia que estudia la estructura y las interacciones de la materia, que es todo aquello que ocupa un espacio y tiene masa. La masa es la cantidad de materia presente en los organismos vivos o en las cosas inanimadas. Elementos Químicos y Átomos Todas las formas de materia se construyen a partir de un número limitado de componentes básicos llamados elementos químicos, sustancias que no pueden ser degradadas a formas más simples por los medios químicos comunes. Hasta el momento, los científicos reconocen 112 elementos diferentes. Cada elemento se designa con un símbolo químico, formado por una o dos letras del nombre del elemento en inglés, latín u otro idioma. Ejemplos de ellos son H para hidrógeno, C para carbono, O para oxígeno, N para nitrógeno, K para potasio, Na para sodio, Fe para hierro y Ca para calcio. En condiciones normales existen en el cuerpo humano veintiséis elementos. Sólo cuatro de ellos, llamados elementos mayores, constituyen cerca del 96% de la masa corporal: el oxígeno, el carbono, el hidrógeno y el nitrógeno. Otros ocho, los elementos menores, contribuyen con 3,8% de la masa corporal: el calcio (Ca), el fósforo (P), el potasio (K), el azufre (S), el sodio (Na), el cloro (Cl), el magnesio (Mg) y el hierro (Fe). En cantidades mínimas se pueden encontrar otros catorce (los oligoelementos). Juntos son responsables del 0,2% restante de la masa corporal. Muchos de ellos cumplen importantes funciones dentro del cuerpo. Por ejemplo, el yodo (I) es necesario para la síntesis de las hormonas tiroideas. Las funciones de algunos de los oligoelementos aún se desconocen. En el Cuadro 2.1 del anexo B figuran los principales elementos químicos del cuerpo humano. Cada elemento está formado por átomos, las unidades, de materia más pequeñas capaces de conservar las propiedades y las características del elemento. Una muestra del elemento carbono, como el carbón puro, contiene sólo átomos de carbono y un tanque de gas helio tiene sólo átomos de helio. Un átomo consta de dos partes básicas: un núcleo y un electrón o más (Anexo B. Figura 2.1). El núcleo, ubicado en el centro, contiene protones con carga eléctrica positiva (p + ) y neutrones (n 0 ) sin carga (carga neutra). Como cada protón tiene una cargar positiva, el núcleo tiene carga positiva. Los electrones (e - ) son partículas diminutas con carga negativa que se mueven en un amplio espacio que rodea el núcleo. No siguen un recorrido u órbita predeterminada, sino que forman una “nube” con carga negativa que rodea el núcleo (Figura 2.1 a. Anexo B). El número de electrones de un átomo es igual al número de protones. Dado que cada electrón lleva una carga negativa, los electrones y los protones equilibran sus cargas entre sí. Como resultado, cada átomo es neutro desde el punto de vista eléctrico, lo que significa que su carga total es cero. El número de protones dentro del núcleo de un átomo se denomina número atómico. Los átomos de cada clase de elemento tienen un número de protones diferente en el
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TORTORA-DERRICKSON
INTRODUCCIÓN AL CUERPO HUMANO
FUNDAMENTOS DE ANATOMÍA Y FISIOLOGÍA
1 DOCUMENTO CON FINES DOCENTES
PEM MANUEL JOSÉ SANDOVAL URÍZAR
CAPÍTULO 2
QUÍMICA BÁSICA
¿Sabía que…? ¿Cuán a menudo escuchó hablar
acerca de las grasas de la dieta? Es probable que haya
presenciado numerosos debates acerca de los beneficios
para la salud de las grasas (ácidos grasos)
monoinsaturadas y poliinsaturadas en contraposición con
las saturadas. La bioquímica de los ácidos grasos es la
responsable de las funciones fisiológicas que éstos
desempeñan.
Gran parte de las investigaciones se han centrado en
el comportamiento de las diversas clases de ácidos grasos
presentes en el cuerpo. Hace algunos años muchos
científicos pensaban que se debían consumir bajas
cantidades de todos los tipos de grasas para evitar las
enfermedades cardíacas. Ahora creen que ciertos tipos de
ácidos grasos no saturados, como los que se encuentran
en los aceites de pescado, pueden reducir el riesgo de
enfermedades cardiovasculares. (Ver Anexo B. Vida
Sana)
Muchas de las sustancias que con frecuencia
comemos y bebemos (agua, azúcar, sal de mesa,
proteínas, almidones, grasas) desempeñan papeles
fundamentales para mantenernos con vida. En este
documento, usted aprenderá cómo actúan esas sustancias
en su cuerpo. Ya que éste se compone de sustancias
químicas y todas las actividades corporales son de
naturaleza química, es importante familiarizarse con
lenguaje y los fundamentos de la Química para
comprender la anatomía y la fisiología humana.
INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA
Objetivos: Definir un elemento químico, un átomo,
un ión, una molécula y un compuesto.
Explicar cómo se forman los enlaces químicos.
Describir qué ocurre en una reacción química y
explicar por qué es importante para el cuerpo humano.
La Química es la ciencia que estudia la estructura y
las interacciones de la materia, que es todo aquello que
ocupa un espacio y tiene masa. La masa es la cantidad de
materia presente en los organismos vivos o en las cosas
inanimadas.
Elementos Químicos y Átomos
Todas las formas de materia se construyen a partir de
un número limitado de componentes básicos llamados
elementos químicos, sustancias que no pueden ser
degradadas a formas más simples por los medios
químicos comunes. Hasta el momento, los científicos
reconocen 112 elementos diferentes. Cada elemento se
designa con un símbolo químico, formado por una o dos
letras del nombre del elemento en inglés, latín u otro
idioma. Ejemplos de ellos son H para hidrógeno, C para
carbono, O para oxígeno, N para nitrógeno, K para
potasio, Na para sodio, Fe para hierro y Ca para calcio.
En condiciones normales existen en el cuerpo
humano veintiséis elementos. Sólo cuatro de ellos,
llamados elementos mayores, constituyen cerca del 96%
de la masa corporal: el oxígeno, el carbono, el hidrógeno
y el nitrógeno. Otros ocho, los elementos menores,
contribuyen con 3,8% de la masa corporal: el calcio (Ca),
el fósforo (P), el potasio (K), el azufre (S), el sodio (Na),
el cloro (Cl), el magnesio (Mg) y el hierro (Fe). En
cantidades mínimas se pueden encontrar otros catorce
(los oligoelementos). Juntos son responsables del 0,2%
restante de la masa corporal. Muchos de ellos cumplen
importantes funciones dentro del cuerpo. Por ejemplo, el
yodo (I) es necesario para la síntesis de las hormonas
tiroideas. Las funciones de algunos de los oligoelementos
aún se desconocen. En el Cuadro 2.1 del anexo B
figuran los principales elementos químicos del cuerpo
humano.
Cada elemento está formado por átomos, las
unidades, de materia más pequeñas capaces de conservar
las propiedades y las características del elemento. Una
muestra del elemento carbono, como el carbón puro,
contiene sólo átomos de carbono y un tanque de gas helio
tiene sólo átomos de helio.
Un átomo consta de dos partes básicas: un núcleo y
un electrón o más (Anexo B. Figura 2.1). El núcleo,
ubicado en el centro, contiene protones con carga
eléctrica positiva (p+) y neutrones (n
0) sin carga (carga
neutra). Como cada protón tiene una cargar positiva, el
núcleo tiene carga positiva. Los electrones (e-) son
partículas diminutas con carga negativa que se mueven
en un amplio espacio que rodea el núcleo. No siguen un
recorrido u órbita predeterminada, sino que forman una
“nube” con carga negativa que rodea el núcleo (Figura
2.1 a. Anexo B). El número de electrones de un átomo es
igual al número de protones. Dado que cada electrón
lleva una carga negativa, los electrones y los protones
equilibran sus cargas entre sí. Como resultado, cada
átomo es neutro desde el punto de vista eléctrico, lo que
significa que su carga total es cero.
El número de protones dentro del núcleo de un átomo
se denomina número atómico. Los átomos de cada clase
de elemento tienen un número de protones diferente en el
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núcleo: un átomo de hidrógeno tiene 1 protón, un átomo
de carbono tiene 6 protones, un átomo de sodio tiene 11,
uno de cloro 17, etc. (Figura 2.2 Anexo B). Por lo tanto,
cada tipo de átomo o elemento tiene un número atómico
diferente. El número total de protones más los neutrones
de un átomo forman su número de masa. Por ejemplo,
un átomo de sodio, con 11 protones y 12 neutrones en su
núcleo tiene un número de masa de 23.
Aunque no se puede predecir con exactitud sus
posiciones, es probable que grupos específicos de
electrones se muevan dentro de ciertas regiones alrededor
del núcleo. Estas regiones se denominan niveles de
energía o capad de electrones y se representan en las
Figuras 2.1b y 2.2 del Anexo B, como círculos
alrededor del núcleo aunque sus formas son esféricas. El
nivel de energía más cercano al núcleo (la primera capa
de electrones) nunca tiene más de dos electrones. El
segundo nivel de energía puede tener hasta un máximo
de ocho electrones y en el tercer nivel puede haber hasta
18. El máximo nivel de energía (puede haber hasta siete)
puede contener muchos más electrones. Los niveles de
energía se llenan de electrones en un orden específico a
partir del primer nivel.
Iones, Moléculas y Compuestos
Los átomos de cada elemento tienen una forma
característica de ganar, perder o compartir sus electrones
cuando interactúan con otros átomos. Si un átomo cede o
gana electrones se transforma en un ión, un átomo con
carga positiva o negativa debida a un número desigual de
protones y electrones. El ión de un átomo se representa
escribiendo su símbolo químico seguido del número de
cargas positivas (+) o negativas (). Por ejemplo, Ca2+
indica que el ión calcio tiene dos cargas positivas porque
cedió dos electrones. En el Cuadro 2.1 del Anexo B,
pueden verse las importantes funciones que tienen los
diversos iones en el cuerpo.
En cambio, cuando dos átomos o más comparten
electrones, la combinación resultante se denomina
molécula. La formula molecular indica el número y el
tipo de átomo que constituyen una molécula. Ésta puede
estar formada por dos átomos del mismo elemento, como
una molécula de oxígeno o una de hidrógeno, o por dos
átomos o más de diferentes elementos, como la molécula
de agua (Figura 2.3 anexo B). La fórmula de la molécula
de oxígeno es O2. En la molécula de agua, H2O, un
átomo de oxígeno comparte electrones con dos átomos de
hidrógeno. Nótese que dos moléculas de hidrógeno
pueden combinarse con una molécula de oxígeno para
formar dos moléculas de agua (Figura 2.3 anexo B).
Un compuesto es una sustancia que contiene átomos
de dos o más elementos distintos. La mayoría de los
átomos del cuerpo forman parte de compuestos, por
ejemplo, el agua (H2O). Una molécula de oxígeno (O2)
no es un compuesto ya que está formada por dos átomos
del mismo elemento.
Un radical libre es un ión o una molécula cargados
eléctricamente con un electrón no apareado en su capa
más externa. (La mayoría de los electrones de los átomos
se agrupan de a pares). Un ejemplo común de un radical
libre es el superóxido, que se forma por el agregado de
un electrón a una molécula de oxígeno. La presencia de
un electrón no apareado hace que el radical libre sea
inestable y destructivo para las moléculas que lo rodean.
Los radicales libres pueden destruir importantes
moléculas del cuerpo tanto al ceder sus electrones no
apareados como el captar un electrón de otra molécula.
En el cuerpo humano diversos procesos pueden
generar radicales libres. Éstos pueden ser el resultado de
la exposición a la luz ultravioleta proveniente de la luz
solar o a los rayos X. Algunas reacciones que ocurren
durante los procesos metabólicos normales producen
radicales libres. Más aún, ciertas sustancias nocivas,
como el tetracloruro de carbono (un solvente utilizado en
tintorería para limpieza en seco) generan un aumento de
los radicales libres cuando participan en las reacciones
metabólicas del organismo. Entre los muchos trastornos y
enfermedades relacionadas con los radicales libres
derivados del oxígeno se encuentran el cáncer, la
aterosclerosis, la enfermedad de Alzheimer, el enfisema,
la diabetes mellitus, las cataratas, la degeneración
macular (maculopatía), la artritis reumatoide y el
deterioro asociado con el envejecimiento. Se cree que el
consumo de más antioxidantes (sustancias que inactivan
a los radicales libres derivados del oxígeno) puede
disminuir la velocidad del deterioro causado por éstos.
Algunos de los antioxidantes más importantes presentes
en la dieta son el selenio, el cinc, los betacarotenos y las
vitaminas C y E.
Enlaces Químicos
Las fuerzas que mantienen unidos a los átomos de
una molécula o de un compuesto son los enlaces o
uniones químicas. La posibilidad de que un átomo
forme un enlace químico con otro depende del número de
electrones que hay en su nivel de energía más externo o
nivel de valencia. Un átomo que contiene ocho
electrones en este nivel es químicamente estable, lo que
significa que es improbable que forme enlaces químicos
con otros átomos. El neón, por ejemplo, tiene ocho
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electrones en su nivel de valencia y por esta razón no es
frecuente que forme enlaces con otros átomos.
Los átomos de los elementos de mayor importancia
biológica no tienen ocho electrones en sus niveles de
valencia. En condiciones normales, dos o más de tales
átomos pueden interactuar o unirse de manera que logran
una estructura químicamente estable de ocho electrones
en el nivel de valencia de cada átomo (ley del octeto).
Los tres tipos generales de enlaces químicos son los
enlaces iónicos, los enlaces covalentes y los puentes de
hidrógeno.
Enlaces iónicos
Los iones con carga positiva y los iones con carga
negativa se atraen entre sí. Esta fuerza de atracción que
mantiene unidos a los iones de cargas opuestas se
denomina enlace iónico. Considere los átomos de sodio
y de cloro para ver cómo se forma un enlace iónico
(Figura 2.4 anexo B). El sodio tiene un electrón de
valencia (Figura 2.4a anexo B). Si cede ese electrón, se
queda con ocho electrones en su segundo nivel. Sin
embargo, el número total de protones (11) ahora excede
el número de electrones (10). Así el átomo de sodio se
transforma en un catión, un ión con carga positiva. Un
ión de sodio tiene una carga de 1+ y se escribe Na+. Por
otra parte, el cloro tiene siete electrones de valencia
(Figura 2.4b anexo B), demasiados para cederlos. Pero,
si el cloro gana un electrón de un átomo cercano tendrá
ocho electrones en su tercer nivel de energía. Cuando
esto ocurre, el número total de electrones (18) excede al
número de protones (17) y el átomo de cloro se convierte
en un anión, un ión con carga negativa. La forma iónica
del cloro se denomina cloruro. Tienen una carga de 1 y
se escribe Cl-. Cuando un átomo de sodio cede su único
electrón de valencia a un átomo de cloro, las cargas
positivas y negativas se atraen y forman un enlace iónico
(Figura 2.4c anexo B). El compuesto iónico resultante es
el cloruro de sodio, que se escribe NaCl.
En el cuerpo, los enlaces iónicos se encuentran sobre
todo en los dientes y en los huesos, donde otorgan gran
firmeza a los tejidos. Un compuesto iónico que, al
disolverlo, se disocia en aniones y cationes se denomina
electrolito porque la solución formada puede conducir
corriente eléctrica. Los electrolitos cumplen numerosas
funciones de gran importancia. Por ejemplo, son
fundamentales para regular el transporte de agua dentro
del cuerpo, para el mantenimiento del equilibrio ácido-
base y para la producción de los impulsos nerviosos.
Enlaces covalentes
Cuando se forma un enlace covalente, ninguno de los
átomos que se combinan gana o cede electrones. En lugar
de ello, forman una molécula al compartir uno, dos o tres
pares de electrones de valencia. Cuando mayor sea el
número de pares de electrones compartidos, más fuertes
será el enlace covalente. Estos enlaces son los más
comunes en el cuerpo humano y los compuestos que
resultan de ellos forman la mayoría de las estructuras
corporales. A diferencia de los enlaces iónicos, la
mayoría de los enlaces covalentes no se disocian cuando
se los disuelven en agua.
Es más fácil comprender la naturaleza de los enlaces
covalentes cuando se piensa en los que se forman entre
átomos de un mismo elemento (Figura 2.5 anexo B).
Cuando dos átomos comparten un único par de
electrones se forma un enlace covalente simple. Por
ejemplo, una molécula de hidrógeno está constituida por
dos átomos de hidrógeno que comparten su único
electrón de valencia (Figura 2.5a anexo B), lo que
permite que ambos tengan su nivel de valencia completo.
(Recuerde que el primer nivel de valencia sólo puede
tener dos electrones.) Un enlace covalente doble (Figura
2.5b anexo B) o un enlace covalente triple (Figura 2.5c
anexo B) se forma cuando dos átomos comparten dos o
tres pares de electrones. Obsérvense en la Figura 2.5
anexo B, las fórmulas estructurales de moléculas unidas
de forma covalente. El número de líneas entre los
símbolos químicos de dos átomos indica si el enlace es
simple (), doble (=) o triple ().
Los principios que se aplican a los enlaces covalentes
entre átomos del mismo elemento son válidos también
para los enlaces covalentes entre átomos de elementos
diferentes. El gas metano (CH4) contiene cuatro enlaces
covalentes simples separados; cada átomo de hidrógeno
comparte un par de electrones con el átomo de carbono
(Figura 2.5d anexo B).
En algunos enlaces covalentes los átomos comparten
los electrones por igual, es decir que ninguno de los
átomos atrae a los electrones con mayor fuerza. Este tipo
de enlace se denomina enlace covalente no polar. Los
enlaces entre dos átomos idénticos siempre son uniones
covalentes no polares (Figura 2.5 a-c anexo B). Otro
ejemplo de enlace covalente no polar es el enlace
covalente simple que se forma entre el carbono y cada
átomo de hidrógeno en una molécula de metano (Figura
2.5d anexo B).
En un enlace covalente polar los átomos comparten
electrones en forma desigual: un átomo atrae a los
electrones compartidos con mayor fuerza que el otro.
Las cargas parciales se indican con una delta griega en
letra minúscula () seguida por un signo más o un signo
menos. Por ejemplo, cuando se forman enlaces
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covalentes polares, la molécula resultante tiene una carga
parcial negativa, que se escribe - , cerca del tomo que
atrae electrones con mayor fuerza. Entonces, en la
molécula al menos otro átomo tendrá una carga parcial
positiva, que se escribe +. Un ejemplo muy importante
de enlace covalente polar en los sistemas vivos es la
unión entre el oxígeno y el hidrógeno en la molécula de
agua (Figura 2.5e anexo B).
Puentes de hidrógeno
Los enlaces covalentes polares que se forman entre
átomos de hidrógeno y otros átomos dan origen a un
tercer tipo de unión química, los puentes de hidrógeno.
Éstos se producen cuando un átomo de hidrógeno con
una carga parcial positiva (+) atrae a la carga parcial
negativa (-) de los átomos electronegativos vecinos, por
lo general oxígeno o nitrógeno. Así, los puentes de
hidrógeno se generan a partir de la atracción de partes de
la molécula con cargas opuestas y no por compartir
electrones como en los enlaces covalentes. Los puentes
de hidrógeno son uniones débiles en comparación con los
enlaces iónicos o con los covalentes. Por ende, no pueden
unir átomos para formar moléculas. Sin embargo, los
puentes de hidrógeno establecen importantes uniones
entre moléculas o entre las distintas partes de una
molécula grande, como el ácido desoxirribonucleico
(ADN). Véase Figura 2.15 anexo B.
Reacciones Químicas
Una reacción química se produce cuando se forman
nuevos enlaces, se rompen los antiguos u ocurren ambas
cosas. A través de las reacciones químicas se construyen
las estructuras del cuerpo y se llevan a cabo sus
funciones, procesos que implican transferencia de
energía.
Formas de energía y reacciones químicas
Energía es la capacidad de realizar trabajo. Las dos
formas principales de energía son la energía potencial,
energía almacenada por la materia gracias a su posición y
la energía cinética, que es la energía que tiene la materia
en movimiento. Por ejemplo, la energía almacenada en
una pila o en una persona a punto de saltar unos
escalones es energía potencial. Cuando la pila se utiliza
para hacer funcionar un reloj o la persona salta, la energía
potencial se transforma en energía cinética. La energía
química es una forma de energía potencial que se
almacena en los enlaces de las moléculas. En el cuerpo
humano la energía química presente en los alimentos se
convierte en diversas formas de energía cinética, como la
energía mecánica, usada para caminar y hablar y la
energía calórica, utilizada para mantener la temperatura
corporal. En las reacciones químicas la rotura de enlaces
antiguos requiere aporte de energía y la formación de
enlaces nuevos libera energía. Dado que la mayoría de
las reacciones químicas implican la rotura de viejos
enlaces y la formación de nuevas uniones, la reacción
total puede tanto liberar como absorber energía.
Reacciones de síntesis
Cuando dos o más átomos, iones o moléculas se
combinan para formar moléculas nuevas y de mayor
tamaño, el proceso se conoce como reacción de síntesis.
La palabra síntesis significa “juntar”. Las reacciones de
síntesis pueden expresarse de la siguiente manera:
Un ejemplo de una reacción de síntesis es la
formación de agua a partir de las moléculas de hidrógeno
y oxígeno (véase Figura 2.3 anexo B):
Todas las reacciones de síntesis que se producen en el
cuerpo se conocen en conjunto como anabolismo. Un
ejemplo de anabolismo es la combinación de moléculas
simples, como los aminoácidos (que se analizarán en
breve), para formar moléculas de mayor tamaño, como
las proteínas.
Reacciones de degradación
En una reacción de degradación se escinde una
molécula. La palabra degradar significa dividir en partes
más pequeñas. Las moléculas grandes se dividen en
moléculas más pequeñas, iones o átomos. Una reacción
de degradación ocurre de la siguiente manera:
Por ejemplo, en condiciones apropiadas, una molécula de
gas metano puede degradarse a un átomo de carbono y
dos moléculas de hidrógeno:
Las reacciones de degradación que se produce en el
cuerpo humano se denominan en conjunto catabolismo.
La degradación de grandes moléculas de almidón en
numerosas y pequeñas moléculas de glucosa durante la
digestión es un ejemplo de catabolismo.
Se combina para formar
A + B AB Átomo, ión Átomo, ión Nueva molécula AB
o molécula A o molécula B
Se combina para formar
2H2 + O2 2H2O Dos moléculas Una molécula Dos moléculas
de hidrógeno de oxígeno de agua
Se divide en
AB A + B Molécula AB Átomo, ión Átomo, ión
o molécula A o molécula B
Se divide en
CH4 C + 2H2 Una molécula Un átomo Dos moléculas
De metano de carbono de hidrógeno
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En general, las reacciones que liberan energía se
producen a medida que los nutrientes, como la glucosa,
se dividen mediante reacciones de degradación. Una
parte de la energía liberada se almacena en forma
temporaria en una molécula especial denominada
adenosintrifosfato (ATP), que se analizará con detalles
más adelante en este documento. Luego, la energía
transferida a las moléculas de ATP se utiliza para llevar a
cabo las reacciones de síntesis que requieren energía y
que participan en la construcción de estructuras
corporales, como los músculos y los huesos.
Reacciones de intercambio
Muchas de las reacciones que ocurren en el cuerpo
son reacciones de intercambio y consisten en
reacciones tanto de síntesis como de degradación. La
siguiente es un tipo de reacción de intercambio:
Los elementos entre A y B y entre C y D se rompen
(degradación) y luego se forman nuevos enlaces
(síntesis) entre A y D y entre B y C. El siguiente es un
ejemplo de reacciones de intercambio:
Obsérvese que los iones de cada compuesto han
“cambiado de compañero”: el ión hidrógeno (H+)
proveniente del HCl se combinó con el ión bicarbonato
(HCO3-) del NaHCO3 y el ión sodio (Na
+) del NaHCO3,
se combinó con el ión cloruro (Cl-) del HCl.
Reacciones reversibles
Algunas reacciones químicas ocurren en una única
dirección, como se indicó antes con las flechas en un solo
sentido. Otras reacciones pueden ser reversibles. Las
reacciones reversibles pueden producirse en ambas
direcciones en diferentes circunstancias y se indican con
dos flechas con direcciones opuestas:
Algunas reacciones son reversibles sólo en
determinadas condiciones:
Lo que se describe encima o debajo de las flechas
indica la condición necesaria para que se produzca la
reacción. En estas reacciones AB se divide en A y B sólo
cuando se agrega agua, y A y B reaccionan para producir
AB cuando se aplicar calor.
Preguntas de Revisión
1. Compare los significados de número atómico,
número de masa, ión y molécula.
2. ¿Cuál es la importancia del nivel de valencia (el
más externo) de un átomo?
3. Establezca las diferencias entre los enlaces
iónicos, los enlaces covalentes y los puentes de
hidrógeno.
4. Explique la diferencia entre anabolismo y
catabolismo. ¿Qué implica las reacciones de
síntesis?
COMPUESTOS QUÍMICOS Y
PROCESOS VITALES
Objetivos: Analizar las funciones del agua y los
ácidos, las bases y las sales inorgánicos.
Definir pH y explicar cómo el cuerpo trata de
mantenerlo dentro de los límites de la homeostasis.
Analizar las funciones de los hidratos de carbono, los
lípidos y las proteínas.
Explicar la importancia del ácido ribonucleico (ARN)
y del adenosintrifosfato (ATP).
Las sustancias químicas del cuerpo se dividen en dos
clases principales de compuestos: orgánicos e
inorgánicos. En general, los compuestos inorgánicos
carecen de carbono, tienen estructuras simples y pueden
presentar tanto enlaces iónicos como covalentes.
Incluyen el agua, numerosas sales, ácidos y bases. Dos
compuestos inorgánicos que contienen carbono son el
dióxido de carbono (CO2) y el ión bicarbonato (HCO3-).
En cambio, los compuestos orgánicos siempre
contienen carbono, suelen llevar hidrógeno y siempre
forman enlaces covalentes. Los ejemplos incluyen los
hidratos de carbono, los lípidos, las proteínas, los ácidos
nucleicos y el adenosintrifosfato (ATP). Por medio del
enlace covalente de numerosas subunidades idénticas o
similares de componentes básicos llamados monómeros
se forman grandes moléculas orgánicas denominadas
macromoléculas.
Compuestos Inorgánicos
Agua
El agua es el compuesto inorgánico más importante y
más abundante de todos los sistemas vivos y constituyen
entre el 55% y el 60% de la masa corporal en los adultos
delgados. Con pocas excepciones, la mayor parte del
volumen de las células y de los líquidos corporales es
agua. Muchas de sus propiedades explican por qué el
agua es un compuesto vital.
1. El agua es un excelente solvente. Un solvente es un
líquido o un gas en el que algún otro material,
llamado soluto, puede disolverse. La combinación de
(Se), silicio (Si), estaño (Sn), vanadio (V) y cinc (Zn). Figura 2.1 Dos Representaciones de la Estructura de un átomo. Los electrones se mueven alrededor del núcleo, que
contiene protones y neutrones. (a) En el
modelo de nube de electrones de un átomo,
el sombreado representa la posibilidad de
hallar un electrón en las regiones adyacentes
al núcleo. (b) En el modelo de niveles de
energía, los círculos oscuros representan
electrones aislados que se agrupan en órbitas
concéntricas según el nivel que ocupan.
Ambos modelos describen un átomo de
carbono, con seis neutrones y seis
electrones.
El átomo es la unidad de materia más
pequeña que conserva las propiedades y
características de un elemento. Figura 2.2 Estructura de Ciertos
Átomos que desempeñan un papel
importante en el cuerpo humano. Los
átomos de distintos elementos tienen
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diferentes números atómicos porque tienen distinto número de protones.
2.3 Molécula. Una molécula puede estar
formada por dos o más átomos del mismo
elemento o dos o más átomos de diferentes
elementos. 2.4. Iones y formación de enlaces iónicos. (a)
Un átomo de sodio puede mantener la
estabilidad de los ocho electrones de su nivel de
energía más externo al perder su único electrón
de valencia; entonces se convierte en un ión de
sodio, Na+. (b) Un átomo de cloro puede
mantener la estabilidad de ocho electrones en su
nivel de valencia por la ganancia de un electrón y
entonces se transforma en un ión cloro, (Cl-). (c) En el
compuesto iónico denominado cloruro de sodio, (NaCl),
mantiene unidos a los iones Na+ y Cl
-. Los electrones
cedidos y ganados están coloreados con color rojo.
Un enlace iónico es la fuerza de atracción que
mantiene unidos a dos iones de carga opuestas.
2.5 Formación de Enlaces Covalentes. Los electrones
representados en color rojo se comparten equivalente en
(a)-(d) y desigual en (e). En las columnas de la derecha
se muestran las formas más simples de representar estas
moléculas. En una formula estructural, cada enlace
covalente se denota mediante una línea recta que une los
símbolos químicos de dos átomos. En una fórmula
molecular, el número de átomos de cada molécula se
muestra mediante un subíndice.
En un enlace covalente, dos átomos comparten uno,
dos o tres pares de electrones de valencia.
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2.6 Ácidos, bases y sales. (a) Cuando se lo coloca en agua el ácido clorhídrico (HCl) se ioniza o disocia en H+ y Cl
-. (b)
Cuando el hidróxido de potasio, una base, se
disuelve en agua, se ioniza en OH- y K
+. (c)
Cuando el cloruro de potasio (KCl), una sal, se
coloca en agua, se disocia en iones positivos y
negativos (CL- y K
+) y ninguno de ellos es H
+ o
OH-.
La ionización es la separación de los ácidos,
bases y sales en iones dentro de una solución.
2.7 Escala del pH. Un pH menor de 7 indica que
la solución es ácida o que tiene más H+ que OH
-.
Cuanto menor sea el valor de pH, más ácida será
la solución ya que la concentración de H+
aumenta en forma progresiva. Un pH mayor que
7 indica que la solución es básica (alcalina), es
decir que hay más OH- que H
+. Cuando mayor será el valor de pH, más básica será la solución.
A pH 7 (neutro) las concentraciones de H+ y OH
- son iguales.
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Cuadro 2.2 Valores de pH de algunas sustancias
Sustancia * Valor de pH
Jugo gástrico (jugo digestivo del estómago) 1,2 - 3
Jugo de limón 2,3
Vinagre, vino, jugo de uva 3
Bebida carbonatada (gaseosa) 3 – 3,5
Jugo de naranja 3,5
Secreción vaginal 3,5 – 4,5
Jugo de tomate 4,2
Café 5
Orina 4,6 – 8
Saliva 6,35 – 6,85
Leche 6,8
Agua destilada (pura) 7
Sangre 7,35 – 7,45
Semen (líquido que contiene espermatozoides) 7,2 – 7,6
Líquido cefalorraquídeo (líquido que rodea al
sistema nervioso central)
7,4
Jugo pancreático (jugo digestivo del páncreas 7,1 – 8,2
Bilis (secreción hepática que interviene en la
digestión de las grasas)
7,6 – 8,6
Leche de magnesia 10,5
Lejía (hidróxido de sodio) 14
* Las sustancias presentes en el cuerpo humano se resaltan en amarillo intenso.
Figura 2.8 Síntesis por deshidratación e
hidrólisis de una molécula de sacarosa. En
las reacciones de síntesis por deshidratación
(léase de izquierda a derecha) dos moléculas
pequeñas, glucosa y fructosa, se unen para
formar una molécula de sacarosa, de mayor
tamaño. Nótese la pérdida de una molécula
de agua. En la reacción de hidrólisis (léase de
derecha a izquierda), la molécula de sacarosa,
más grande, se divide en dos moléculas más pequeñas, glucosa y
fructosa. Aquí, para que se produzca esta reacción se agrega una
molécula de agua a la sacarosa.
Los monosacáridos son los monómeros que se utilizan para sintetizar
hidratos de carbono.
Figura 2.9 Parte de una molécula de glucógeno, el principal
polisacárido del cuerpo humano.
El glucógeno se forma a partir de monómeros de glucosa y es el modo
de almacenamiento de los hidratos de carbono en el cuerpo humano.
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2.10 Los triglicéridos están formados por ácidos grasos a un esqueleto de glicerol. Los ácidos grasos varían en su
longitud y en la cantidad y
localización de los enlaces dobles
entre átomos de carbono (C=C).
Aquí se muestra una molécula de
triglicéridos que contiene dos
ácidos grasos saturados y un
ácido graso monoinsaturado.
Un triglicérido está formado
por dos tipos de monómeros: una
molécula de glicerol única y tres
moléculas de ácidos grasos.
2.11 Fosfolípidos. (a) En la
síntesis de los fosfolípidos, dos
ácidos grasos se unen en los dos
primeros carbonos del esqueleto de
glicerol. Un grupo fosfato une un
pequeño grupo con carga eléctrica al
tercer carbono del glicerol. En (b), el
círculo representa la cabeza polar y las
dos líneas curvas representan las colas
no polares.
Los fosfolípidos son los principales
lípidos presentes en las membranas
celulares.
2.12 Esteroides. Todos los esteroides
tienen cuatro átomos de carbono.
El colesterol es el precursor para la
síntesis de los otros esteroides.
2.13 Aminoácidos. (a) Como su nombre
lo indica, los aminoácidos tienen un grupo
amino (representado en color azul) y un
grupo carboxilo (ácido) (de color rojo). La
cadena lateral (grupo R), de color amarillo,
es diferente en cada aminoácido. (b) Cuando
dos aminoácidos se unen químicamente a
través de una reacción de síntesis por
deshidratación (léase de izquierda a derecha),
el enlace covalente resultante se denomina
enlace peptídico. Este tipo de enlace se
forma al mismo tiempo que se elimina agua.
Aquí, los aminoácidos glicina y alanina se
unen para formar un dipéptido, la
glicilalanina. La rotura de un enlace peptídico se produce por hidrólisis (léase de derecha a izquierda)
Los aminoácidos son los monómeros de las proteínas.
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2.14 Como funciona una enzima.
Las enzimas aceleran las reacciones
químicas sin experimentar modificaciones
ni consumirse.
2.15 Molécula de ADN. (a) Un nucleótido está formado por una base
nitrogenada, un azúcar de cinco carbonos y un grupo fosfato. (b) Los pares
de bases nitrogenadas se proyectan hacia el centro de la doble hélice. Los
puentes de hidrógeno (líneas punteadas) que unen cada par de bases
estabilizan la estructura. Hay dos puentes de hidrógeno entre la adenina y
la timina y tres enlaces la citosina y la guanina.