Embed Size (px)
Citation preview
2 LA BASE QUiacuteMICA DE LA VIDA
iquestCuaacutento vale usted
Para Hollywo od Leon ardo DiCa pn o val e 20 mi ll ones de doacutelares por peliacutecula para lo s Ya nqu is de Nueva Yor k Alex Rodriacute guez val e $21 7 mill one s por deacute cad a y para Est ados Unidos un profesor ord inario vale 44 367 doacutelares anuales Desde el punt o de vi sta quiacutem ico iexclcu nto vale en rea lidad el cuer po human o (fig ura 210)
Somos un conjunto de elementos -sustan ci as fund amental es- que const an de u ll a sola cla se de aacutetomos El aacutetomo es la un idad maacutes pequefld que co nse rva las propiedade s del elemento Oc upa es pacio tiene masa y no puede di vi dirse en otras part es po r lo menos no con los medios ordin ari os
Los princip ales element os de los organi smos son oxiacutegeno carbon o hidroacutegen o nit roacutegeno y caicio Luego vi ene n el foacutesforo el potasio el az ufre el sodi o y el cl oro Hay muchos el ementos traza cada u no de los cuales const it uye menos de 001 del peso co rpora l El se len io y el plomo so n un ejempl o
iexclUn momento Sel en io plom o me rcurio ar seacute nico y muchos otros ele mentos son toacutexicos iexcl no es asil iexclY entonces coacutemo pueden form ar parte de un grupo t an se lecto
Figura 21 (a ) iquestCuaacutento vale usted desde el punto de vista qu iacutem ico (b) Proporcion es de los elementos maacutes com un es en el cuerpo humano en la corteza terres re y el agua de mar iquestEn queacute se pare ce n y en queacute se dislinguen a
Oxiacutegeno Carbono Hidroacutegeno Nitroacutegeno Calc io
Foacutesforo PotasIo AZllfre SodiO Cloro Magnesio Hierro Fluacuteor Zi nc Si licio Rubi dio Estroncio Bromo Plomo
Cobre Al uminio Cadmio Cer io Bario Yodo
stantildeo Titan io Boro Niacutequel Selen iO Cromo Manganeso Arseacutenico lit io Cesio Mercurio Germanio Moltbdeno Cobalto Antimonio Pl ata Ilt iobio Zirconio Lantano Gal io Telurio Itrio Bismuto Tal io Indio Oro Es cand ia Taacutentalo Vanadio Torio Uranio
Samario Berilio Tungsteno
4300 kilogramos (kg) 16 00 kg 700 kg 0028315 180 kg 9706929 1 00 kg 15500000
780 00 gramos (g) 68198594
14000 9 4 098737
14000 g 0011623
10000 9 2 2877-18
9500 9 1409496
1900 9 0444909
420 9 0 054600
260 9 7 9 17263
230 9 0088090
1 00 9 0 370000
068 9 1087 153
032 9 O 177237 0 26 9 00 12855 012 9 0003960
0012961 7200 mil igramos (mg) 0246804 6000 mg 00 10136 5000 mg 0043120 40 00 mg 0028776 2200 mg 00941 84 2000 mg
0005387 20 00 mg 2000 mg
00 10920
1800 mg 0 002172
1500 rng 003 1320
1500 mg 0037949
1400 rng 0003402
1200 mg 0001526
700 mg 0023576
700 mg 0024233
600 mg 0 000016
6 00 ITl g 0 00471 8
500 mg 0130435 5 00 mg 0001260 300 rn g 0001 509 2 00 mg 0000243 200 Illg 0013600 1 50 mg 0 000624 100 mg 0000830 080 mg 0000566 070 mg 0003367 07 0 rn g 0000722 060 mg 0005232 050 mg 000011 9 050 rn g 0000894 010 mg 0000600 020 rn g 0001 975 020 mg 0058 160 020 mg 0001 6310 1 1 mg
0000322 010 mg
0004948 010 mg
0000 103
5000 microgramos (~g) 0000 118
3600 rJg 20 00 ~g
021739 400000 028315 706929
5eoooo 198594 098737 011623 87748 409496 444909 054600 91 7263
088090
~70000 oa7153 d 7237 91(858
003960
C12961 2lt16804 010 136 0431 20 028776 09~ 184
005387 010920 002172
031320 C37949 003402 001526 023576 024233 000016 004 718
30435 00 1260 001509 000243 01 3600 000624 000830 000566 003367 000722
004948 000103
000118 000218 000007
1M PACTOS PROBLEMAS
no 100 AluminiO 82 2 6 Hierro 63 14 Calcio 50 11 MagneSIo 29 02 Sodio 02
I - ~9ua de mar
Oxiacutegeno 85 in HI rgt~t10 10l Coro 20 Sodi 11 Magne 0 G iZLflt 01 Crtlr o 004 Potad Q 003
b
Ac~bamos de leer que Iiexcls canti dad s traza de por lo menos
algunos de el los cum plen funciones im portantiacutes imas Por ejemplo un poco de selenio produce efectos toacutexcos pero
demas iado poco puede cal lsa r problem as caTdlacos y trastor nos de la tiro ides
Asiacute pues en una perspect iva superficial el cuerpo humano
puede verse corno un conjunto ~qllilibrado de elementos
El total no va le maacutes de $11863 y los tipos no son ni siquier
exclusivos se encuentran en I orteza terrestre e incluso en
el agua de mar (figura 21b) ~in embargo las proporcione5 de
los elerne 105 en el ser huma 10 y en otro organ imos son
Itl icas en comparac ioacuten con las de los seres no vivos Fij ese por
ejemplo en las del ( rbono Tam poco encontraraacute un puntildeado
de tierra ni un volumen de aguiexcl de mar que se aproxime a la
orga nizacioacuten estructuraly funcional de un cuerpo vivo
Pa la mtegrar esa enorme m asa de elementos en un cuerpo
orgilnizado y operacional se requ iere una voluminosa
bibl ioteca molecular (DN Al enzImas y otros ()perario~
et boacutelico5 a~i como un enOTme y constante cantidad de
energla (si 11 0 lo cree preguacuten ele lt1 una embarrtzada)
Re uerde 10 nterior cuando alguien diga que la quim ica
no llene nada lt1 ut ver C011uno Tiene mucho qu ver
Person as past d ntal pavo refrigerad ores combustible de
Jet salud enfermedad brassieres lIuvl aacutecida gas
adormecedor bosques la quimica tiene mucho que ver con
cual quier riatura viva o iner te del u n iverso
~ OT EIIuoruro ayuda a preVellf la raries dental Pero una canll ad excesIVa rompe los huesos y los dientes ocaSionando defectos congenilos Puede provocar la muerte cuando lie ingiere demaSiado Muchas comunidades d Estados Unidos agregan liuoruro al SUministro de agua potable iquestQuiere que le agreguen a su suminIstro
Vislle la paacutegina del material complemenlarro de la oora en Ingles lrtpbiologyb oOkscole comstarrll donde eneonrrarEiexcl recursos en linea relacionados eOIl el libro Tenga en cuenta que las paacutegm8s electroacutenicas pueden ser actualizadas restringidas o eliminadas in previo aviso
Conceptos baacutesicos
AacuteTOMOS YELEMENTOS
Un elemento e Un sustan c fundamenta l conslilu i j a por un tipo le aacutelamos el aacutetomo es la un idad mas pequerla oe un elemento que conserva las p opledades de l elemento y cuyas estructuras baacutesicas SOIl protones electrone y neulr n Los rsolopoS SOII tomos de un elemento con un nuacutemero variable de nc trones Secciones 2 1 22
PORQUEacute LOS ELECTRO ES SO IM PORTA NHS
Los alomas adquieren comparten y Ilberall ~Iectrones Elllumero y el oroen de su~ electrones determinaraacute Si e lJne no eacutel otros Seccioacuten 23
ENLACEDE LOS AacuteTOMOS
El comporlami nI de nlace en las moleacuteculas bloloacutegeas COllllenZa con el uacuternero y el ordel de los pleClrones en e da lipa de aacutetomo Los enlaces 16 icos sovalentes de hidroacutegeno Son la P iflcipa les categoriacuteas de nlaco entre os atamos de la moleacuteculas bioloacutegicas Secclon 2 4
SIN AGUA NO HAY VIDA
La vida nacioacute n el aguo y estaacute adaptada a las pro redada (le esta El agua tiene efectos estabili7atiores de lil t mperatura Muc il s c lase de su tanci s se cJislJelven faacutecilmente e ella El gua muestra coheslon Seccioacuten 25
REGLAS DE LOS IONES HIDROacuteG E O
Lo vida requiere cornroles preciso sobre la 10lmacloacuten JSO y amortiguamIento de los iones hidroacuteg no Seccioacuten 2 6
Conexiones con conceptos anteriores
Con eSIe Capitulo comerllalllOS en I b ~e de I s niveles de organizacioacuten de la IdJ iexclque naga una pausa para rel al el cliagrama sencillo de la secc ion 1 Todo miei con los atamos y la energia La or anlzac loacuten de I Vida xlye enlrar en un gran flul unIdireCCIOnal de I energiacutea y almacenarla en 105 enla es entre aacutet mas (12)
El capitulo ofree un ejemplo senciilo de coacutemo los mecanismos cOilgeacutenitos del cuerpo ayuoan a uovolver el med io int rno a un estado ilomeostaacutetlco uando la condiciones rebasan el limite tolerable para las c lulas ( 12)
19
---------------------------------------------------------
11
CONEXiOacuteN CON LA
S ECCiOacuteN
1 H 3 4
Li Be 11 12
NaMg 19 2~
K Ca 37 J~
Rb Sr 55 ~
es Ba 17 88 Fr Ra
I A (J~OS y FUMU-nOS
Comien ce con los aacutetomos
Si conoce un poco sobre los protones los neutrones y los electrones tendra una idea general de por queacute los elementos que constituyen el cuerpo se comportan de CInto modo Las propiedades exclusivas de cada elemento empiezan con el nuumlmero de protones de SU5
atamos
Un elemento repetimos es una sustancia fundamental que consta de una sola clase de aacutetomos Eacutestos se componen de tres tipos de partiacuteculas suba toacutemicas protones electrones y neutrones Un protoacuten lleva una carga positiva que se define como la can tidad de electricidad Al protoacuten 10 represhysentamos con el siacutembolo p + El nuacutecleo - o regioacuten centra1shyd el aacutetomo contiene uno o maacutes protones Con excepcioacuten del aacute tomo hidroacutegeno tambieacuten contiene neutrones que no lleshyva n carga Alrededor del nuacutecleo se encuentran uno o maacutes electrones que llevan una carga negativa (e-) En la figura 22 se muestran algunos modelos simp les de la estructura del aacutetomo
La carga positiva de un protoacuten y la carga negativa de un electroacuten se equilibran entre siacute Por tanto un aacute tomo con la misma cantidad de electrones y protones no tiene carga eleacutectrica
Los elementos poseen un nuacutemero atoacutemico especial que es la cantidad de protones dentro del nuacutecleo de sus aacutetoshymos Un aacutetomo hidroacutegeno tiene un protoacuten de modo que su nuacutemero a toacutemico es 1 El del carboacuten que tiene seis protoshynes es 6
Protones y neutrones contrib uyen a la masa del aacutetom o (Los electrones son demasiado diminutos para ello) Podeshymos asignarle a los elementos un nuacutemero de masa o sea la cantidad total de protones y de neutrones que estaacuten en el nuacutecleo El nuacutemero de masa del carbono es 12 es decir tiene seis protones y seis neutrones
He 5 ~ a
B e N o F Ne 13 14 1 5 lE 7
t Al Si 12
P 33
S CI
Al
Se
Y
Ti
U )
Nb Mo Te Ru Rh Pd
Ca
Ag
Zn
Cd
Ga 9
In
Ge
Su
As Se
bull Sb Te
Br SJ r
IV
Xe 1 o 8 12 ~l
Iu Hf fa W Re Os Ir Pt Au Hg 11 Pb Di Po At Rn t omiddot 11 t 11 lz Rf Db Sg 8h lIs Mi Ds Uun Uub Uut Uuq Uup Uuh
~o 1 iexcliexcl Bl amp4 amp o la Ce Pr Nd Prn sn Eu Gel lb Dy Ho Er Ttn Yb 5 q ~ 9 o ~ Th Pa U Np Po Arn Ctn Bk Cf Es Ftn Md No
Figura 23 Tabla perioacutedica de los elementos y Dm it ry Mende leev su creador Alg unos Siacutembolos de los elementos son la abreviatura de su nombre latino Por ejemplo Pb (p lomo) es la abreviacutea tu ra de plumbum el teacutermino plomeriacutea nos recuerda que los ant iguos romanos usaban Iplomo para con s rul r sus tubos de agua
20 Unidad I Pr inCipios de la Vida celular
C) a electroacuten b e
Figura 22 Varias fo rmas de representar los aacutetomos usando el hidroacuteg eno (H) como ejemplo (a) Modelo de capas adecuado pala mostrar el nuacutemero de electrones y su organizacioacuten al rededor de nuacutecleo (b) Los modelos de esferas muestran los tarnalos de los aacutetomos en relaCioacuten unos con otros (e) Las nubes de denSidad de los elec trones ind ican muy bien la distribucioacuten de los electrorles alrededor del nuacutecleo
iquestPor queacute molestarse con el nuacutemero de electrones de protones y neutrones Porque si lo conocemos seraacute maacutes faacutecil predecir coacutemo cada clase de elemen to se comportaraacute en diversas situaciones dentro del cuerpo y fuera de eacutel
Los elementos se clasificaban antes atendiendo a sus semejanzas quiacutemicas mucho antes que se descubriesen sus partiacuteculas subatoacutemicas En 1869 Dmitry Mendeleev maacutes famoso p or su cabello estrafalario que por su descushybrimiento (se lo cortaba una vez al antildeo) ordenoacute en un patroacuten repetitivo los elementos entonces conocidos basaacutenshydose para ello en sus p ropiedades quiacutemicas Utilizoacute los huecos en esta tabla perioacutedica de los elemen tos y de ese modo predijo correctamente la existencia de muchos eleshymentos todaviacutea no conocidos
Los elementos caen en el orden de la tabla conforme a su n uacutemero a toacutemico (fig ura 23) Todos los de una columna vertical tienen el mismo nuacutemero de electrones disponibles para la interaccioacuten con o tros aacute tomos De ahiacute que se comshyporten en forma similar Por ejemplo helio n eoacuten radoacuten y otros gases situados en la uacuteltima columna derecha de la tabla perioacutedica son elementos inertes Ninguno de los electrones en sus aacutetomos pueden participar en interaccioshynes quiacutemicas Estos elementos rara vez realizan funciones es taacuten principalmen te en aacutetomos solitarios
El lector no encontraraacute todos los elementos en la naturashyleza Los si tuados despueacutes del nuacutemero atoacutemico 92 son inestables en extremo Algu nos h an sido formados en canshytidades pequentildeiacutesimas dentro del laboratorio - 3 veces un solo aacutetomo- y dejan de existir muy pronto
Un elemento es una sustancia baacutesica compuesta por u na sola case de aacutetomos Eacutestos son las unidades maacutes pequentildeas que conservan las propiedades del elemento
Un aacutetomo consta de uno o maacutes protones con carga positiva de electrones con carga negativa y (exceptuado el hidroacutegeno) de neutrones El nuacutemero de electrones del aacutetomo determina si interactuaraacute con otros o 110
el para lel los j de es
~s de iexcl maacutes
)rtaraacute
~L
a sus iesen
eleev
lescushy
n un asaacutenshy
oacute los le ese
5 eleshy
middotme a
lmna libles comshy
adoacuten la de
e los lccioshy
Dnes
turashyson
canshy
S un
I AacuteTOMO~ y HEM ENTOS
LAClfNCIAAlgunas aplicaciones de los isoacutetopos V LA BIOLOGIA
Todos los elimen to~ se definen por el numero de I ctrones de mi atomogt pero el numero de neutrones puede SlT diferente Aesos atamos los llamamos Isoacutetopos del mismo IItnlPnto AI9unos son radiactIvos
En 1896 Henri Becquerel hizo un descubrimiento fo rtuito Habia
puesto unos cristales de uranio en un caj oacuten del escritorio junto a una moneda y una pa ntalla metaacutelica encima de al gunas hojas de papel negro opaco Debajo de eacuteste habia una placa fot ograacutefica Un
diacutea desp eacutes utilizoacute la peliacutecula y la revel oacute Sucedioacute algo extrantildeo
aparecioacute una imagen negativa de la moneda y de la pantalla metaacutelica Becquerel supuso que la energiacutea que emana ba de las
sales de uranio habiacutea atravesado el papel-impenetrable a la
luz- y habiacutea expuesto la peliacutec ula alrededor de los objetos
metaacutelicos Como ahora sabemos el uran io tiene isoacutetopos (15 de ellos) La
mayoriacutea de los elementos de la naturaleza tambieacuten los tienen el
carbono t ien e tres el nitroacuteg eno dos y asi sucesivamente El superiacute ndiCe a la izquierda del siacutembolo del elemento indica el
nuacutemero de masa del isoacutetopo Por ejemplo tres isoacutetopos naturales del carbono son 12C (carbono 12 la forma maacutes comuacuten con 6 protones 6 neutrones) BC (con 6 protones 7 neutrones) y 14C
(con 6 protones 8 neutrones)
Algunos isoacutetopos son inestables (o radiactivos) Un isoacutetopo r diactivo llamado tambieacuten radioisoacutetopo emite espontaacuteneamente
energi en forma de partiacuteculas subatoacutemicas y rayos cuando su
nuacutecleo se desintegra Este proceso llamado decaimiento radiactivo puede transformar un elemento en otro Por ejemplo
IlCy 14C son radioisoacutetopos del carbono Su decai miento es
predecible una cantidad particular de energiacutea se transforma e n u producto maacutes estable Al cabo de 5700 a ntildeos cerca de la mitad de los aacutetomos de una muestra de 14C se habraacuten transformado en
aacutetomos de llN (nitroacutegeno) Por medio del decaimiento radiactivo
105 invest ig adores calculan la edad de las rocas y los residuos
bioloacutegicos como se exp li caraacute en la seccioacuten 15 5 Los isoacutetopos de un elemento siguen siendo el mi smo
elemento La mayor parte del carbono sig ue siendo carbono sin importar cuaacutentos neutrones tenga Los sistemas vivos usan lC en la is ma form a que 14c Sabedores de eso los invest igadores o
meacutedicos que quieren localizar una sustancia pa rt icular construyen un marcador Los marcadores son moleacuteculas donde
un isoacutetopo maacutes estable ha sido sust ituido por un radioisoacutetopo
Figura 24 Animada (a) Paciente cuyo cerebro estaacute siendo examinado con un escaacutener de PET (b e) Un anillo de detectores i tercepta las emisiones radiactivas de los marcadores Que se inyectaron al paciente Se barre la reg ioacuten corporal de intereacute s Las compUadoras a nalizan y cod ifican en colores el nuacutemero de emiSiones de las localizaciones de la regioacuten examinada Despueacutes los result dos son convertidos en imaacutegenes digitales y se exhiben en panta llas de computadora
(d) Los colores de una tomografiacutea indican diferencias de la ac livid ad me aboacutelica Las ceacutelulas de l hemisferio izquierdO de este cerebro absorbieron y usaron en los nive les previstos las moleacuteculas marcadas Las ceacutelulas del hemisferi o derecho muestran poca ac lividad Este pac iente sufre un Irastorno neuroloacutegico
Pueden introducirse en un a ceacutelula o un cuerpo multi celular hasta
en las poblaciones utilizadas en los experimen tos de laboratorio La energiacutea liberada en el d ca im iento radiactivo es como una
t arj de em barque Ayuda a lo s Investig ado res a localizar la viacutea o des tino de una ustancia con ayuda de los instrumentos
detectores de radi ac tividad
Por ejemplo Melvin Cal vin y sus colegas ut il iza ron marcadores para descubrir los pasos especificos de reaccioacuten en la fotosiacuten tesis
Dejaron que unas plan tas en crecimiento captaran un gas rad iacti vo (dioacutexido de ca rbono prodUCido con 14C) Con
inst rumenlos detectores de la radiactividad sigu ieron el
radioisoacutetopo de ca rbono a traveacutes de los pasos con que las pl antas producen azuacutecare s y al mi dones sim ples
Los radioisoacutetopos se emplean tam bieacuten en medicina La teacutecn ica PET (abreviatura de tomografia por emi sioacuten de positrones) u sa
radioisoacutetopos para estudia r el metabol ism o Los medicos unen un rad ioi soacutetopo a la glucosa o a otra azuacutecar Inyeclan este
marcador a un pac iente y luego lo introducen en un escaacutener PET (figura 24a) Las ceacutelulas de distintas partes del cuerpo absorben
el m arcador a dist intas velocidades El escaacutener detecta la
radiacioacuten causada por la energiacutea liberada en el decaimiento del radi oisoacutetopo Con la radiacioacuten se form a una im agen en un
monitor como se aprecia en la figura 24 Las imaacutegenes revelan var iaciones y anormalidades en la actividad metaboacutel ica
reg ioacuten de l cuerpo anillo delector que esta siendo denlro del examinada escaacutener de PET
Capitulo 2 La hase quiacutemica de la vida 21
11 iquestQueacute sucede cuando un aacutetomo se enlaza a otro
CIlNFX()N Los atomos adquieren comparten y donan electrones Los de GCONtA SECCKlN algunos ltIementos hacen esto mIyfaacuteci lmente otros no lA qlJeacute se an
~debe eso Pora encontrar In resplIestajijese en el nuacutemero y la E
estructllra le los elpcfmnes pn los aacutetomos
fLf CTRONES y LOS IVEL ES DE ENERGiacuteA el cuarto (figura 25) - 1 helio con sus dos electrones no
[ n nuestro mundo la fiacutesica simple explica el movimiento de una manzan ltl que cae de un aacuterbol Los d imin utos elecshytronps pertenecen a un mundo raro donde no se aplicu e a Hsi (l (Si los electrone h l ieran el tamaiiacuteo de u na manshyan el lector seriacutea 5 veces maacutes aacutelto que el ilncho del sisshymiddotem il soJilr) Diversas fuerza producen el movimiento de los -le hones que pueden ir de un lugar a otro sin pilSltl r por en nwd io_
Pod mo calcul ar doacutende se halla l u) elect roacuten aunque no con exr1Ctit ud Lo mejor que p odemos hacer es decir que estaacute en alguacuten lugar den tro de una n ube borrosa de den ide d probabiliacutes tica El sitio o sit ios a donde puede d ishyrigirse dependeraacute de cuaacuten tos otros clcctrone pertenezcan al aacute tomo Los elec trones se disponen en orbi til le- es decir en voluacutemenes de espacio alred dar del nuacutecleo Son posishybles muchos orbitiexcllcs todos ellos con una forma tridimenshysional caracteriacutestica
El aacutetomo tiene el mismo nuacute mero de eleeacuteshytrones qle de protones La mayoriacutea de los Momos ti enen muchos electrones iquest oacutemo estaacuten d isp ues tos dado que los electrone e repelen entre siacute Imagine el aacutetomo como un edificio multiniveles de d partamentos con m u has cuar tos desocupados para alquilarshylos a electrones y con un nuacutecleo en el soacutetano Ca da cuar to es un orbital y se alquila a dos electrones cuando mu cho Un orbital con un electroacuten tiene soacutelo un cuarto desocushypado entonc S otro puede entra r
Cada piso del edificio corresponde a un nivel de energiacutea Hay lill solo cuarto en el prishymer piso (un rbital en el nivel maacutes bajo de energiacutea el maacutes cercano al nuacutecleo) Es el prishymero en ocuparse En el hidroacutegeno ---el aacuteto shymo maacutes simple- un electroacuten solitario ocupa
teTcer n iv 1 de e eTg ia
(segun o pISO)
segundo nivel de energiacutea
(primer piso)
primer nivel de energiacutea
(maacutes cere del sOtana
22 Unldaa I PrincipIOS de la VI a celular
tiene cuartos desocupados en el primer nivel de energiacutea (el maacutes bajo) En los aacutetomos maacutes grand es un mayor llLlmero d el trOlw alquilltl los cuartos del s gundo piso Si este piso se llena maacutes electrones rentaraacuten los cuartos del tercer piso y a iacute sucesivamente Los electrones llenan los orbitales eil niveles siempre maacutes altos de energiacutea
Cuanto m aacutes le jos es teacute un electroacuten del soacutetano (el nuacutecleo) maacutes ene rgiacutea tend raacute Un electron en un cuarto del primer piso no p uede pasar al segundo piso ni al tercero mucho menos al penthollse a menos q ue un aumento repentino de nergiacutea lo ponga ltl 11iacute Supong mas que el electroacuten absorbe su ficiente energiacutea de - digamos- la luz solar pa ra que lo motive a subi r Lo hace Si nada maacutes llena el cuarto de e bao r~pidam nte regre a r eacute l emitiendo maacutes nerg iacutea al hacerlo M s tarde el lector veraacute coacutemo las ceacutelulas
en las plantas en sus ojos aprovechan esa energiacutea
DE LO SAacuteTO MOS A LAS MOLECULAS
n los modelos de capa del aacutetomo las cltlpas anidadlls corresponden a los ni veles de energiacutea Nos ofrecen l l11
med io faacutecil de comp robar los espacios vaciacuteos de electroshynes como en la fi gLlra 26 o olvide que los aacutetomos no son como esos diagril mas planos Las capas no son voluacutemenes tridimensionales del espacio y ciertamente no mu shan los orbi tales de electrones
Los aacutetomos con espacios vaciacuteos en su cubierta maacutes externa tienden a liberar ad quirir o compartir electrones En reil lidad lo que llamamos enlaces quiacutemicos no son sino un caso de aacutetomos que comparten con otro sus elecmiddot trones Un c1tomo rara vez compartiraacute sus electrones SI
carece de espacios vaciacuteos Pero los aacutelamos maacutes comunes en los orga nismos - de oxiacutegeno carbono hidroacutegeno nitroacute shygeno y ceacutellcio- siacute los ti(nen en su nivel maacutes externo de energ iacutea Tienden i1 p ilf ticipltlr en los enl aces
Figura 25 Modelos de los niacuteveles primero segundo y erce del ilicio atoacuteml o de departa ento Ca a modelo es una aproximaciOn tridimensional a un orbital de tectrones Los c son maacutes ntensos en los sitios conde los electrones tienden maacute encontrarse en un momento de erminado Los orbitales maacutes al
el lIucie f-Joseell maacutes energfa y son maacutes complejos
(])
l
C trones no
~ energiacutea (el (or n uacute mero )i o Si este
~s del Icrcer
(IrJi laes en
(el nuacutecleo)
del primer ero m ucho ) repentino
el electroacuten luz solar
laacutes Uena el tiendo maacutes ) las ceacutelulas middotgiacutea
anidadas ofrecen un
de electroshymos no son voluacutemenes ) muestra n
bier ta maacutes
lectrones
os no son o sus elecshy~ c tron s si Jmunes en 2no nitroacuteshy
=xterno de
nda y lercero 10 es una nes Los colores iexcl lienden maacutes a lales maacutes a lejad os
1 l TII ene rgfiexcliexcl 1 L L ]tI el
luz solar I 12HzO + 6C02
602 + C6HJ206 + 6H2O
(X[[) [1 UI II n ( I 1
12 oxigenas 6 carbonos 12 hid roacutegenos 12 oxiacutegenos 12 oxiacutegenos 24 h droacutegenos 6 carbonos
iacute 2 hid roacutegenos 6 oxigenas 6 oxiacutegenos
Una moleacutecula es s implemente dos o maacutes aacutetomos de ele shy una mezcla al introducir azuacutecar en el agua La proporcioacuten
mentos ideacutenticos o dis tintos unidos en un enlace quiacutemico de los elementos puede variar en esta mezcla o en cualshy
Podemos escribir la composicioacuten quiacutemica de una moleacutecula quier otro tipo
mediante una foacutermula la cual usa los siacutembolos de los eleshymentos y los subuacute1dices del nlunero de aacutetomos de los elemenshytos (figura 27) P o r ejemplo una moleacutecula de agua tiene la
Los electrones ocupan orbitales esto es voluacutemenes definidos de foacutermula quiacutemica HzO El subiacutendice indica que hay dos aacutetoshyespacio alrededor del nuacutecleo del aacutetomo Los orbitales sucesivos mos de hidroacutegeno (H) por uno de oxiacutegeno (O) Si tenemos corresponden a niveles de energiacutea wya altura aumenta con la
seis moleacuteculas de agua habriacutea mos escrito 6H20 distancia respecto al nuacutecleo Los compuestos son moleacuteculas que cons tan de dos o
UlO o al maacuteximo dos electrones pueden ocupar cualquiermaacutes elementos distintos en proporciones invariables El
orbital Los aacutetomos con espacios desowpados en los orbitales agua es un ejemplo Todas s us moleacuteculas tienen un aacutetomo de su nivel maacutes alto tienden a interactuar y aformar enlaces de oxiacutegeno unido a dos de hidroacutegeno Las de las nubes del con otros aacutetomos mar de un lago siberiano de los peacuteta los de su tina de
Una molecula consta de dos o maacutes aacutetomos [midas en Ln enlace bantildeo o en cualquier otra parte tienen el doble de aacutetomos quiacutemico En los compuestos los aacutetomos de dos o maacutes elementos de hidroacutegeno que de oxiacutegeno En una mezcla dos o maacutes estaacuten unidos Una mezcla consta de sustancias entremezcladas sustancias se combinan sin enlazarse Por ejemplo hace
Figura 27 Regislro bioqulmico Usamos foacute rmulas al anota r las ecuaciones quiacutemicas que repre sentan reacciones ent re aacuteto os y moleacuteculas Las sustancias pa rticipante s en una reaccioacuten (reactivos) se escribe a la izq ie r a de una ffecha de reaccioacuten y los procl uc tos a la derecha El nuacutemero que precede a la loacuter ula indica cuaacutentas moleacutec ul as (o aacutetomos) e ntran en la reaccioacuten El mismo nuacutemero de aacutetomos que partiCipan ha de quedar a fina l l os atomos se entremezcldn pero nunc desaparecen Cueacuten te los pa ra cerciorarse de que haya escrito correctam nle la ecuac ioacuten
G Tercera capa Corresponde al tercer nivel de energiacutea Co sla de nueve orbilales (un orbital s tres p ycinco d) o sea li ene espacio para 18 eleclrones Osodio tiene un electroacuten en la tercera capa y I ~Ioro siete Ambos cuentan e n esp cios vac ios por lo cual son receptivos a enlace qulmlcos
a Segunda capa Correspo de a l segundo nivel de energla Tiene un orbital s y tres orbitales p esp CIO para un total ele ocho electrones El carbono tiene seis electrones dos en la primera capa y cuatro en la se~un Tiene cuatro e spacios vaciacuteos E oxiacutegeno tiene dos espac iOS vaclos El carbono y 01 oxigeno forman enlaces qulmicos
~
SODIO
l lp f- 110shy
electroacuten
protoacuten
neutroacuten
( I ) I
gt CARBONO OX IGOIO
6p+ 6e- 8p+ 8e
o Primera capa Corresponde al p ri mer nive l de ene gia Tiene un orbi tal (1 s) que puede albergar ( j dos electrones El hidroacutegeno tiene un solo elec troacuten HELIO HIDROacuteGENO en esta capa y lo libera faacuteci lmen e Un aacutetomo de 1p 1e- 2p + 2eshyhelio llene dos electrones (sin espacios vaCiacuteos) y no suele formar parle de los enlac s Quiacutemicos
Figura 26 iexclAnimadal Modelos de caoas que nos ayudan a visualizar los espacios vaclos en los orbitales maacutes externos del aacutetomo Cada circ ulo - capa- representa todos los orb ita les en n nivel rl e energfa Los circulas maacutes gra ndes corresponden a niveles ma al tos de energiacutea Los modelos estaacuten mlly s implificados En una rep re senlacloacuten mas real ista los elec trones apareceriacutean como Ilubes borrosas de denSidad orobabilistica unas 10000 veces maacutes grandes que el n cleo
Capiacutet ulo 2 La base qulmlca de la vid 23
Lo~ electrones de un tipo de atomo mteractuan en forma especiacutefica con los de otros aacutetomos Las interacciones dan origen a propiedades bien diferenoacuteaclC15 de las mohuas 01O091C05
FORMACiOacuteN DE ION ES Y LOS ENLACES IOacuteN ICOS
Un electroacuten -como recordaraacute- ti ne una carga negativa igual a la carga positiva de un protoacuten Cuando un aacutetoshymo contien igual nuacutem ro de electrones que de protones las cargas se equilibran entre iacute y entonces el aacutetom o tiene una carga net de cero CUclndo un aacutetomo gana un electroacuten maacutes adquiere una carga nega tiva neta Cuando pierde un e lEctroacuten adquiere una carga positiva neta n ambos casos se ha con er lido n ion
Un ejemplo un aacutetomo de cloro tiene siete protones Tiene sie te electrones (un espacio vaciacuteo) en el nivel del tershycer orbital que al anz su m aacutexima estabilidad cuando estaacute lleno con ocho Este aacutetomo tiende a atraer un elec troacuten de alguna otra pa rte Con ese electroacuten adiciacuteonal se transshyforma en un ion cloruro (C1-) con una carga negativa ne ta
O tro ejemplo un aacute tomo de sodio tiene 11 proton S y 11 electrones Su segun o nivel orbital es taacute lleno de electroshynes y soacutelo uno se ha ll en el terce r ni vel orbital Es m aacutes faacutecil liberar un electroacuten que obtener siete Cuando el aacute tomo lo hace tod aviacutea le quedan 11 p rotones Pe ro ahora tiene 10 elecl rones Se ha Lransformado en un ion sodio con una carga positiva neta (Na+)
peacuterdida de electrones ganancia de electrone
~-- ( = I I ~ ~ ~
) aacutetomo aacutetomo
de sodio (- iexcl de cloro j 11 p +
17 p + ~ ~
11 e- 17 e -shy
) --
- I I
Iion ~ ion II
I Isodio I cloro
11 p + I ~ J ) 17 p+
10 e 18 eshyshy
Gran des enlaces en las moleacuteculas b ioloacuteg icas
Recllerde qU las cargeacutels opuest se atraen Cuando un ion con carga po itiva se enc uenlra con o tro de carga negashytiva los dos pueden asociarse estrechamente entre siacute El enlace joacutenico es ese tipo de eacutelsociacioacuten Por ejemplo en la fig ura 28a vemos un cristal de sal de mesa NaC En este tipo de cris ta les los en laces ioacutenicos contienen iones de sodio y de cloruro en un arreglo cuacutebico ordenado
ENLACES COVA LE NTE5
En el enlace ioacutenico un aacute tomo que haya perd ido uno (1
maacutes electrones se asocia a otro que haya ganado uno o maacutes iquestQueacute sucede si ambos tienen espacio para otro elecshytroacuten Pued en compa1ti1 uno en un orbital h iacutebrido que incluya los dos nuacutecl eos El espacio libre de cada aacutetomo se ll ena con los electron s compartidos
Cuando los aacute tomos comparten dos electrones se unen en un solo enlace covalente (figura 28b) Est tipo de enshylace es estable y mucho maacutes fu erte que los ioacutenicos
Podemos representar el enlace cova lente en una foacutermushyla estructural que m ues tre la disposicioacuten fiacutesica de los aacutetomiddot m as de una moleacutecula Una liacutenea entre d os aacutetomos represhysenta un pa r de electrones que estaacuten siendo compartidos en un enlace coval nte simple Un ejemplo de este patroacuten es el h idroacutegeno molecular (H2) que tiene un enlace covalente y que puede escribirse como H - I-L Dos aacutetomos comparshyten dos pares de electrones en un enlace covalente do ble
+ Figura 28 iexclAmadol Enlaces impor ta les en las moleacuteculas bioloacuteg icas
24 Unidad I PrincipIOS de la Vldd celular
o Ej mplo de las interacciones consta ntes llamadas enlace iOacutenico En los cristales de la sal ele mesa (NaCI) muchos Iones sodio y Iones cloro se mantienen Juntos por la interaccion mutua de sus cargas opuestas
do un negashysiacute El
en la n este les de
uno o ) uno J elecshyo que mo se
unen ie enshy
oacutermushyiexclS iIacutetoshy
rep reshyios en roacuten es alente mparshydoble
OfCO
)fles
como en el oxiacutegeno molecular (0=0) Otros comparten tres parejas de electrones en un enlace covalente triple como en el nitroacutegeno molecular (Niexcliexcliexcliexcliexcliexcl ) Cada vez que resshypira las moleacuteculas O2 y N 2 fluyen hacia sus pulmones
En un enlace covalente no polar dos aacutetomos comparten el mismo nuacutemero de electrones asiacute que las moleacuteculas no l1luestran diferencia algunCl de carga entre los dos extreshymos del enlace Este tipo de enlaces se encuentran en el hidroacutegeno molecular (H 2) en el oxiacutegeno (02) y en el nitroacuteshygeno (NJ
En un enlace covalente polar dos aacutetomos no comparten el mismo nuacutemero de electrones iquestPor queacute Porque son eleshymentos diferentes y uno tiene maacutes protones que el otro El de maacutes protones ejerce mayor atraccioacuten sobre los electroshynes de manera que su ex tremo del enlace termina con una carga un poco nega tiva Decimos entonces que es elec troshynegativo -1 aacutetomo en el otro extremo del enlace termina con una carga un poco positiva Por ejemplo una moleacutecula de agLla (H-Q-H) tiene dos enlaces covalentes polares El aacutetomo de oxiacutegeno transporta una carga ligeramente negashytiVd y sus dos aacutetomos de hidroacutegeno transportan una carga ligeramente positiva
ENLAC ES DE HIDROacuteG ENO
Un enlilce de hidroacutegeno es una a traccioacuten deacuteb il formada entre un aacutetomo de hidroacutegeno enlazado covalentemente y un aacutetomo electronegativo de una moleacutecula diferente o en otra regioacuten de la misma moleacutecula
Das aacutetomos de hidroacutegeno cada uno con 10 )un protoacute comparten dos electrones en un enlace ~ ~ covalente S I pie no pOlar
hid roacutegeno molec ular (H2
)
H-H
Dos aacutetomos de hidroacutegeno cada uno con ocho protones comparten cuatro electrones en un enlace covalente doble no polar
oxiacutegeno molecu lar (0 2)
0 = 0
El oxiacutegeno tiene espacios vaciacuteos para dos electrones en sus orbitales de nivel maacutes alto de energia Dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir cada mo un electroacuten con ox igeno Los dos enlaces covalentes polares resultantes forman una moleacutecula de agu
o Enlaces covalentes Un aacutetomo se vuelve maacutes estable al compartir ares de electrones en orbitales hlb ridos
agua (H 20)
H-O-H
Como los enlaces de hidroacutegeno son deacutebiles se forman y se deshacen con facilidad Sin embargo en su conjunto muchos contribuyen a las propiedades del agua como veremos en la siguiente seccioacuten
Los enlaces de hidroacutegeno cumplen una importante funshycioacuten en la estructura y funcioacuten de las moleacutec ulas bioloacutegicas A menudo se forman en diversas partes de las moleacuteculas grandes que se han doblado sobre siacute mismas y los contieshynen en determinadas configuraciones Muchos de esos enlaces integran dos cadenas de nucleoacutetidos de ADN En la figura 28 se alude al nuacutemero de interacciones en este aacutecido ribonucleico
Los iones seforman cuando un aacutetomo adquiere una carga neta al ganar o perder electrones Dos iones de carga opuesta se atraen Pueden unirse en un enlace ioacutenico
En un enlace covalente los aacutetomos comparten un par de electrones Cuando los comparten en igual cantidad el enlace seraacute no polar Cuando lo comparten en desigual cantidad el enlace seraacute polar lig eramente positivo en un extremo ligeramente negativo en el otro
En un enlace de hidroacutegeno un aacutetomo de hidroacutegeno enlazado covalentemente atrae a otro peqUElO de carga negativa situado en otra moleacutecu la o en otra regioacuten de la misma moleacutecula
enlace de hidroacutegen o Dos moleacutecu las que interactuacutean deacutebi lmente en un enlace H Ipueden formarlo y moleacutecula _~ mol eacutecula romperlo faacutec ilmente de ag ua de amonio
Enlaces H que ayudan a mantener unida una parte de dos moleacuteculas grandes
Muchos enlaces H se mantienen unidos a lo largo de dos cadenas de ADN Son deacutebiles tomados individualmente pero en forma colechva pueden estabilizar una estructura grande del aacutecido
el Enl ces de hidroacutegeno Pueden formarse en un atomo de hidroacutegeno que ya tenga un enlace covalente en una moleacutecula La pequentildea carga pOSitiva del eacutetomo atrae deacuteb ilmente otro que tenga una pequera carga negativa y que tenga ya un enlace covalente con otra sustancia Como se aprecia eso puede suceder entre uno de los aacutetomos de hidroacutegeno en una moleacutecula de agua y el aacutetomo de nitroacutegeno en una moleacutecula de amoniaco
Capitulo 2 La base qUiacutemic a de la vida 25
021739 400000 028315 706929
5eoooo 198594 098737 011623 87748 409496 444909 054600 91 7263
088090
~70000 oa7153 d 7237 91(858
003960
C12961 2lt16804 010 136 0431 20 028776 09~ 184
005387 010920 002172
031320 C37949 003402 001526 023576 024233 000016 004 718
30435 00 1260 001509 000243 01 3600 000624 000830 000566 003367 000722
004948 000103
000118 000218 000007
1M PACTOS PROBLEMAS
no 100 AluminiO 82 2 6 Hierro 63 14 Calcio 50 11 MagneSIo 29 02 Sodio 02
I - ~9ua de mar
Oxiacutegeno 85 in HI rgt~t10 10l Coro 20 Sodi 11 Magne 0 G iZLflt 01 Crtlr o 004 Potad Q 003
b
Ac~bamos de leer que Iiexcls canti dad s traza de por lo menos
algunos de el los cum plen funciones im portantiacutes imas Por ejemplo un poco de selenio produce efectos toacutexcos pero
demas iado poco puede cal lsa r problem as caTdlacos y trastor nos de la tiro ides
Asiacute pues en una perspect iva superficial el cuerpo humano
puede verse corno un conjunto ~qllilibrado de elementos
El total no va le maacutes de $11863 y los tipos no son ni siquier
exclusivos se encuentran en I orteza terrestre e incluso en
el agua de mar (figura 21b) ~in embargo las proporcione5 de
los elerne 105 en el ser huma 10 y en otro organ imos son
Itl icas en comparac ioacuten con las de los seres no vivos Fij ese por
ejemplo en las del ( rbono Tam poco encontraraacute un puntildeado
de tierra ni un volumen de aguiexcl de mar que se aproxime a la
orga nizacioacuten estructuraly funcional de un cuerpo vivo
Pa la mtegrar esa enorme m asa de elementos en un cuerpo
orgilnizado y operacional se requ iere una voluminosa
bibl ioteca molecular (DN Al enzImas y otros ()perario~
et boacutelico5 a~i como un enOTme y constante cantidad de
energla (si 11 0 lo cree preguacuten ele lt1 una embarrtzada)
Re uerde 10 nterior cuando alguien diga que la quim ica
no llene nada lt1 ut ver C011uno Tiene mucho qu ver
Person as past d ntal pavo refrigerad ores combustible de
Jet salud enfermedad brassieres lIuvl aacutecida gas
adormecedor bosques la quimica tiene mucho que ver con
cual quier riatura viva o iner te del u n iverso
~ OT EIIuoruro ayuda a preVellf la raries dental Pero una canll ad excesIVa rompe los huesos y los dientes ocaSionando defectos congenilos Puede provocar la muerte cuando lie ingiere demaSiado Muchas comunidades d Estados Unidos agregan liuoruro al SUministro de agua potable iquestQuiere que le agreguen a su suminIstro
Vislle la paacutegina del material complemenlarro de la oora en Ingles lrtpbiologyb oOkscole comstarrll donde eneonrrarEiexcl recursos en linea relacionados eOIl el libro Tenga en cuenta que las paacutegm8s electroacutenicas pueden ser actualizadas restringidas o eliminadas in previo aviso
Conceptos baacutesicos
AacuteTOMOS YELEMENTOS
Un elemento e Un sustan c fundamenta l conslilu i j a por un tipo le aacutelamos el aacutetomo es la un idad mas pequerla oe un elemento que conserva las p opledades de l elemento y cuyas estructuras baacutesicas SOIl protones electrone y neulr n Los rsolopoS SOII tomos de un elemento con un nuacutemero variable de nc trones Secciones 2 1 22
PORQUEacute LOS ELECTRO ES SO IM PORTA NHS
Los alomas adquieren comparten y Ilberall ~Iectrones Elllumero y el oroen de su~ electrones determinaraacute Si e lJne no eacutel otros Seccioacuten 23
ENLACEDE LOS AacuteTOMOS
El comporlami nI de nlace en las moleacuteculas bloloacutegeas COllllenZa con el uacuternero y el ordel de los pleClrones en e da lipa de aacutetomo Los enlaces 16 icos sovalentes de hidroacutegeno Son la P iflcipa les categoriacuteas de nlaco entre os atamos de la moleacuteculas bioloacutegicas Secclon 2 4
SIN AGUA NO HAY VIDA
La vida nacioacute n el aguo y estaacute adaptada a las pro redada (le esta El agua tiene efectos estabili7atiores de lil t mperatura Muc il s c lase de su tanci s se cJislJelven faacutecilmente e ella El gua muestra coheslon Seccioacuten 25
REGLAS DE LOS IONES HIDROacuteG E O
Lo vida requiere cornroles preciso sobre la 10lmacloacuten JSO y amortiguamIento de los iones hidroacuteg no Seccioacuten 2 6
Conexiones con conceptos anteriores
Con eSIe Capitulo comerllalllOS en I b ~e de I s niveles de organizacioacuten de la IdJ iexclque naga una pausa para rel al el cliagrama sencillo de la secc ion 1 Todo miei con los atamos y la energia La or anlzac loacuten de I Vida xlye enlrar en un gran flul unIdireCCIOnal de I energiacutea y almacenarla en 105 enla es entre aacutet mas (12)
El capitulo ofree un ejemplo senciilo de coacutemo los mecanismos cOilgeacutenitos del cuerpo ayuoan a uovolver el med io int rno a un estado ilomeostaacutetlco uando la condiciones rebasan el limite tolerable para las c lulas ( 12)
19
---------------------------------------------------------
11
CONEXiOacuteN CON LA
S ECCiOacuteN
1 H 3 4
Li Be 11 12
NaMg 19 2~
K Ca 37 J~
Rb Sr 55 ~
es Ba 17 88 Fr Ra
I A (J~OS y FUMU-nOS
Comien ce con los aacutetomos
Si conoce un poco sobre los protones los neutrones y los electrones tendra una idea general de por queacute los elementos que constituyen el cuerpo se comportan de CInto modo Las propiedades exclusivas de cada elemento empiezan con el nuumlmero de protones de SU5
atamos
Un elemento repetimos es una sustancia fundamental que consta de una sola clase de aacutetomos Eacutestos se componen de tres tipos de partiacuteculas suba toacutemicas protones electrones y neutrones Un protoacuten lleva una carga positiva que se define como la can tidad de electricidad Al protoacuten 10 represhysentamos con el siacutembolo p + El nuacutecleo - o regioacuten centra1shyd el aacutetomo contiene uno o maacutes protones Con excepcioacuten del aacute tomo hidroacutegeno tambieacuten contiene neutrones que no lleshyva n carga Alrededor del nuacutecleo se encuentran uno o maacutes electrones que llevan una carga negativa (e-) En la figura 22 se muestran algunos modelos simp les de la estructura del aacutetomo
La carga positiva de un protoacuten y la carga negativa de un electroacuten se equilibran entre siacute Por tanto un aacute tomo con la misma cantidad de electrones y protones no tiene carga eleacutectrica
Los elementos poseen un nuacutemero atoacutemico especial que es la cantidad de protones dentro del nuacutecleo de sus aacutetoshymos Un aacutetomo hidroacutegeno tiene un protoacuten de modo que su nuacutemero a toacutemico es 1 El del carboacuten que tiene seis protoshynes es 6
Protones y neutrones contrib uyen a la masa del aacutetom o (Los electrones son demasiado diminutos para ello) Podeshymos asignarle a los elementos un nuacutemero de masa o sea la cantidad total de protones y de neutrones que estaacuten en el nuacutecleo El nuacutemero de masa del carbono es 12 es decir tiene seis protones y seis neutrones
He 5 ~ a
B e N o F Ne 13 14 1 5 lE 7
t Al Si 12
P 33
S CI
Al
Se
Y
Ti
U )
Nb Mo Te Ru Rh Pd
Ca
Ag
Zn
Cd
Ga 9
In
Ge
Su
As Se
bull Sb Te
Br SJ r
IV
Xe 1 o 8 12 ~l
Iu Hf fa W Re Os Ir Pt Au Hg 11 Pb Di Po At Rn t omiddot 11 t 11 lz Rf Db Sg 8h lIs Mi Ds Uun Uub Uut Uuq Uup Uuh
~o 1 iexcliexcl Bl amp4 amp o la Ce Pr Nd Prn sn Eu Gel lb Dy Ho Er Ttn Yb 5 q ~ 9 o ~ Th Pa U Np Po Arn Ctn Bk Cf Es Ftn Md No
Figura 23 Tabla perioacutedica de los elementos y Dm it ry Mende leev su creador Alg unos Siacutembolos de los elementos son la abreviatura de su nombre latino Por ejemplo Pb (p lomo) es la abreviacutea tu ra de plumbum el teacutermino plomeriacutea nos recuerda que los ant iguos romanos usaban Iplomo para con s rul r sus tubos de agua
20 Unidad I Pr inCipios de la Vida celular
C) a electroacuten b e
Figura 22 Varias fo rmas de representar los aacutetomos usando el hidroacuteg eno (H) como ejemplo (a) Modelo de capas adecuado pala mostrar el nuacutemero de electrones y su organizacioacuten al rededor de nuacutecleo (b) Los modelos de esferas muestran los tarnalos de los aacutetomos en relaCioacuten unos con otros (e) Las nubes de denSidad de los elec trones ind ican muy bien la distribucioacuten de los electrorles alrededor del nuacutecleo
iquestPor queacute molestarse con el nuacutemero de electrones de protones y neutrones Porque si lo conocemos seraacute maacutes faacutecil predecir coacutemo cada clase de elemen to se comportaraacute en diversas situaciones dentro del cuerpo y fuera de eacutel
Los elementos se clasificaban antes atendiendo a sus semejanzas quiacutemicas mucho antes que se descubriesen sus partiacuteculas subatoacutemicas En 1869 Dmitry Mendeleev maacutes famoso p or su cabello estrafalario que por su descushybrimiento (se lo cortaba una vez al antildeo) ordenoacute en un patroacuten repetitivo los elementos entonces conocidos basaacutenshydose para ello en sus p ropiedades quiacutemicas Utilizoacute los huecos en esta tabla perioacutedica de los elemen tos y de ese modo predijo correctamente la existencia de muchos eleshymentos todaviacutea no conocidos
Los elementos caen en el orden de la tabla conforme a su n uacutemero a toacutemico (fig ura 23) Todos los de una columna vertical tienen el mismo nuacutemero de electrones disponibles para la interaccioacuten con o tros aacute tomos De ahiacute que se comshyporten en forma similar Por ejemplo helio n eoacuten radoacuten y otros gases situados en la uacuteltima columna derecha de la tabla perioacutedica son elementos inertes Ninguno de los electrones en sus aacutetomos pueden participar en interaccioshynes quiacutemicas Estos elementos rara vez realizan funciones es taacuten principalmen te en aacutetomos solitarios
El lector no encontraraacute todos los elementos en la naturashyleza Los si tuados despueacutes del nuacutemero atoacutemico 92 son inestables en extremo Algu nos h an sido formados en canshytidades pequentildeiacutesimas dentro del laboratorio - 3 veces un solo aacutetomo- y dejan de existir muy pronto
Un elemento es una sustancia baacutesica compuesta por u na sola case de aacutetomos Eacutestos son las unidades maacutes pequentildeas que conservan las propiedades del elemento
Un aacutetomo consta de uno o maacutes protones con carga positiva de electrones con carga negativa y (exceptuado el hidroacutegeno) de neutrones El nuacutemero de electrones del aacutetomo determina si interactuaraacute con otros o 110
el para lel los j de es
~s de iexcl maacutes
)rtaraacute
~L
a sus iesen
eleev
lescushy
n un asaacutenshy
oacute los le ese
5 eleshy
middotme a
lmna libles comshy
adoacuten la de
e los lccioshy
Dnes
turashyson
canshy
S un
I AacuteTOMO~ y HEM ENTOS
LAClfNCIAAlgunas aplicaciones de los isoacutetopos V LA BIOLOGIA
Todos los elimen to~ se definen por el numero de I ctrones de mi atomogt pero el numero de neutrones puede SlT diferente Aesos atamos los llamamos Isoacutetopos del mismo IItnlPnto AI9unos son radiactIvos
En 1896 Henri Becquerel hizo un descubrimiento fo rtuito Habia
puesto unos cristales de uranio en un caj oacuten del escritorio junto a una moneda y una pa ntalla metaacutelica encima de al gunas hojas de papel negro opaco Debajo de eacuteste habia una placa fot ograacutefica Un
diacutea desp eacutes utilizoacute la peliacutecula y la revel oacute Sucedioacute algo extrantildeo
aparecioacute una imagen negativa de la moneda y de la pantalla metaacutelica Becquerel supuso que la energiacutea que emana ba de las
sales de uranio habiacutea atravesado el papel-impenetrable a la
luz- y habiacutea expuesto la peliacutec ula alrededor de los objetos
metaacutelicos Como ahora sabemos el uran io tiene isoacutetopos (15 de ellos) La
mayoriacutea de los elementos de la naturaleza tambieacuten los tienen el
carbono t ien e tres el nitroacuteg eno dos y asi sucesivamente El superiacute ndiCe a la izquierda del siacutembolo del elemento indica el
nuacutemero de masa del isoacutetopo Por ejemplo tres isoacutetopos naturales del carbono son 12C (carbono 12 la forma maacutes comuacuten con 6 protones 6 neutrones) BC (con 6 protones 7 neutrones) y 14C
(con 6 protones 8 neutrones)
Algunos isoacutetopos son inestables (o radiactivos) Un isoacutetopo r diactivo llamado tambieacuten radioisoacutetopo emite espontaacuteneamente
energi en forma de partiacuteculas subatoacutemicas y rayos cuando su
nuacutecleo se desintegra Este proceso llamado decaimiento radiactivo puede transformar un elemento en otro Por ejemplo
IlCy 14C son radioisoacutetopos del carbono Su decai miento es
predecible una cantidad particular de energiacutea se transforma e n u producto maacutes estable Al cabo de 5700 a ntildeos cerca de la mitad de los aacutetomos de una muestra de 14C se habraacuten transformado en
aacutetomos de llN (nitroacutegeno) Por medio del decaimiento radiactivo
105 invest ig adores calculan la edad de las rocas y los residuos
bioloacutegicos como se exp li caraacute en la seccioacuten 15 5 Los isoacutetopos de un elemento siguen siendo el mi smo
elemento La mayor parte del carbono sig ue siendo carbono sin importar cuaacutentos neutrones tenga Los sistemas vivos usan lC en la is ma form a que 14c Sabedores de eso los invest igadores o
meacutedicos que quieren localizar una sustancia pa rt icular construyen un marcador Los marcadores son moleacuteculas donde
un isoacutetopo maacutes estable ha sido sust ituido por un radioisoacutetopo
Figura 24 Animada (a) Paciente cuyo cerebro estaacute siendo examinado con un escaacutener de PET (b e) Un anillo de detectores i tercepta las emisiones radiactivas de los marcadores Que se inyectaron al paciente Se barre la reg ioacuten corporal de intereacute s Las compUadoras a nalizan y cod ifican en colores el nuacutemero de emiSiones de las localizaciones de la regioacuten examinada Despueacutes los result dos son convertidos en imaacutegenes digitales y se exhiben en panta llas de computadora
(d) Los colores de una tomografiacutea indican diferencias de la ac livid ad me aboacutelica Las ceacutelulas de l hemisferio izquierdO de este cerebro absorbieron y usaron en los nive les previstos las moleacuteculas marcadas Las ceacutelulas del hemisferi o derecho muestran poca ac lividad Este pac iente sufre un Irastorno neuroloacutegico
Pueden introducirse en un a ceacutelula o un cuerpo multi celular hasta
en las poblaciones utilizadas en los experimen tos de laboratorio La energiacutea liberada en el d ca im iento radiactivo es como una
t arj de em barque Ayuda a lo s Investig ado res a localizar la viacutea o des tino de una ustancia con ayuda de los instrumentos
detectores de radi ac tividad
Por ejemplo Melvin Cal vin y sus colegas ut il iza ron marcadores para descubrir los pasos especificos de reaccioacuten en la fotosiacuten tesis
Dejaron que unas plan tas en crecimiento captaran un gas rad iacti vo (dioacutexido de ca rbono prodUCido con 14C) Con
inst rumenlos detectores de la radiactividad sigu ieron el
radioisoacutetopo de ca rbono a traveacutes de los pasos con que las pl antas producen azuacutecare s y al mi dones sim ples
Los radioisoacutetopos se emplean tam bieacuten en medicina La teacutecn ica PET (abreviatura de tomografia por emi sioacuten de positrones) u sa
radioisoacutetopos para estudia r el metabol ism o Los medicos unen un rad ioi soacutetopo a la glucosa o a otra azuacutecar Inyeclan este
marcador a un pac iente y luego lo introducen en un escaacutener PET (figura 24a) Las ceacutelulas de distintas partes del cuerpo absorben
el m arcador a dist intas velocidades El escaacutener detecta la
radiacioacuten causada por la energiacutea liberada en el decaimiento del radi oisoacutetopo Con la radiacioacuten se form a una im agen en un
monitor como se aprecia en la figura 24 Las imaacutegenes revelan var iaciones y anormalidades en la actividad metaboacutel ica
reg ioacuten de l cuerpo anillo delector que esta siendo denlro del examinada escaacutener de PET
Capitulo 2 La hase quiacutemica de la vida 21
11 iquestQueacute sucede cuando un aacutetomo se enlaza a otro
CIlNFX()N Los atomos adquieren comparten y donan electrones Los de GCONtA SECCKlN algunos ltIementos hacen esto mIyfaacuteci lmente otros no lA qlJeacute se an
~debe eso Pora encontrar In resplIestajijese en el nuacutemero y la E
estructllra le los elpcfmnes pn los aacutetomos
fLf CTRONES y LOS IVEL ES DE ENERGiacuteA el cuarto (figura 25) - 1 helio con sus dos electrones no
[ n nuestro mundo la fiacutesica simple explica el movimiento de una manzan ltl que cae de un aacuterbol Los d imin utos elecshytronps pertenecen a un mundo raro donde no se aplicu e a Hsi (l (Si los electrone h l ieran el tamaiiacuteo de u na manshyan el lector seriacutea 5 veces maacutes aacutelto que el ilncho del sisshymiddotem il soJilr) Diversas fuerza producen el movimiento de los -le hones que pueden ir de un lugar a otro sin pilSltl r por en nwd io_
Pod mo calcul ar doacutende se halla l u) elect roacuten aunque no con exr1Ctit ud Lo mejor que p odemos hacer es decir que estaacute en alguacuten lugar den tro de una n ube borrosa de den ide d probabiliacutes tica El sitio o sit ios a donde puede d ishyrigirse dependeraacute de cuaacuten tos otros clcctrone pertenezcan al aacute tomo Los elec trones se disponen en orbi til le- es decir en voluacutemenes de espacio alred dar del nuacutecleo Son posishybles muchos orbitiexcllcs todos ellos con una forma tridimenshysional caracteriacutestica
El aacutetomo tiene el mismo nuacute mero de eleeacuteshytrones qle de protones La mayoriacutea de los Momos ti enen muchos electrones iquest oacutemo estaacuten d isp ues tos dado que los electrone e repelen entre siacute Imagine el aacutetomo como un edificio multiniveles de d partamentos con m u has cuar tos desocupados para alquilarshylos a electrones y con un nuacutecleo en el soacutetano Ca da cuar to es un orbital y se alquila a dos electrones cuando mu cho Un orbital con un electroacuten tiene soacutelo un cuarto desocushypado entonc S otro puede entra r
Cada piso del edificio corresponde a un nivel de energiacutea Hay lill solo cuarto en el prishymer piso (un rbital en el nivel maacutes bajo de energiacutea el maacutes cercano al nuacutecleo) Es el prishymero en ocuparse En el hidroacutegeno ---el aacuteto shymo maacutes simple- un electroacuten solitario ocupa
teTcer n iv 1 de e eTg ia
(segun o pISO)
segundo nivel de energiacutea
(primer piso)
primer nivel de energiacutea
(maacutes cere del sOtana
22 Unldaa I PrincipIOS de la VI a celular
tiene cuartos desocupados en el primer nivel de energiacutea (el maacutes bajo) En los aacutetomos maacutes grand es un mayor llLlmero d el trOlw alquilltl los cuartos del s gundo piso Si este piso se llena maacutes electrones rentaraacuten los cuartos del tercer piso y a iacute sucesivamente Los electrones llenan los orbitales eil niveles siempre maacutes altos de energiacutea
Cuanto m aacutes le jos es teacute un electroacuten del soacutetano (el nuacutecleo) maacutes ene rgiacutea tend raacute Un electron en un cuarto del primer piso no p uede pasar al segundo piso ni al tercero mucho menos al penthollse a menos q ue un aumento repentino de nergiacutea lo ponga ltl 11iacute Supong mas que el electroacuten absorbe su ficiente energiacutea de - digamos- la luz solar pa ra que lo motive a subi r Lo hace Si nada maacutes llena el cuarto de e bao r~pidam nte regre a r eacute l emitiendo maacutes nerg iacutea al hacerlo M s tarde el lector veraacute coacutemo las ceacutelulas
en las plantas en sus ojos aprovechan esa energiacutea
DE LO SAacuteTO MOS A LAS MOLECULAS
n los modelos de capa del aacutetomo las cltlpas anidadlls corresponden a los ni veles de energiacutea Nos ofrecen l l11
med io faacutecil de comp robar los espacios vaciacuteos de electroshynes como en la fi gLlra 26 o olvide que los aacutetomos no son como esos diagril mas planos Las capas no son voluacutemenes tridimensionales del espacio y ciertamente no mu shan los orbi tales de electrones
Los aacutetomos con espacios vaciacuteos en su cubierta maacutes externa tienden a liberar ad quirir o compartir electrones En reil lidad lo que llamamos enlaces quiacutemicos no son sino un caso de aacutetomos que comparten con otro sus elecmiddot trones Un c1tomo rara vez compartiraacute sus electrones SI
carece de espacios vaciacuteos Pero los aacutelamos maacutes comunes en los orga nismos - de oxiacutegeno carbono hidroacutegeno nitroacute shygeno y ceacutellcio- siacute los ti(nen en su nivel maacutes externo de energ iacutea Tienden i1 p ilf ticipltlr en los enl aces
Figura 25 Modelos de los niacuteveles primero segundo y erce del ilicio atoacuteml o de departa ento Ca a modelo es una aproximaciOn tridimensional a un orbital de tectrones Los c son maacutes ntensos en los sitios conde los electrones tienden maacute encontrarse en un momento de erminado Los orbitales maacutes al
el lIucie f-Joseell maacutes energfa y son maacutes complejos
(])
l
C trones no
~ energiacutea (el (or n uacute mero )i o Si este
~s del Icrcer
(IrJi laes en
(el nuacutecleo)
del primer ero m ucho ) repentino
el electroacuten luz solar
laacutes Uena el tiendo maacutes ) las ceacutelulas middotgiacutea
anidadas ofrecen un
de electroshymos no son voluacutemenes ) muestra n
bier ta maacutes
lectrones
os no son o sus elecshy~ c tron s si Jmunes en 2no nitroacuteshy
=xterno de
nda y lercero 10 es una nes Los colores iexcl lienden maacutes a lales maacutes a lejad os
1 l TII ene rgfiexcliexcl 1 L L ]tI el
luz solar I 12HzO + 6C02
602 + C6HJ206 + 6H2O
(X[[) [1 UI II n ( I 1
12 oxigenas 6 carbonos 12 hid roacutegenos 12 oxiacutegenos 12 oxiacutegenos 24 h droacutegenos 6 carbonos
iacute 2 hid roacutegenos 6 oxigenas 6 oxiacutegenos
Una moleacutecula es s implemente dos o maacutes aacutetomos de ele shy una mezcla al introducir azuacutecar en el agua La proporcioacuten
mentos ideacutenticos o dis tintos unidos en un enlace quiacutemico de los elementos puede variar en esta mezcla o en cualshy
Podemos escribir la composicioacuten quiacutemica de una moleacutecula quier otro tipo
mediante una foacutermula la cual usa los siacutembolos de los eleshymentos y los subuacute1dices del nlunero de aacutetomos de los elemenshytos (figura 27) P o r ejemplo una moleacutecula de agua tiene la
Los electrones ocupan orbitales esto es voluacutemenes definidos de foacutermula quiacutemica HzO El subiacutendice indica que hay dos aacutetoshyespacio alrededor del nuacutecleo del aacutetomo Los orbitales sucesivos mos de hidroacutegeno (H) por uno de oxiacutegeno (O) Si tenemos corresponden a niveles de energiacutea wya altura aumenta con la
seis moleacuteculas de agua habriacutea mos escrito 6H20 distancia respecto al nuacutecleo Los compuestos son moleacuteculas que cons tan de dos o
UlO o al maacuteximo dos electrones pueden ocupar cualquiermaacutes elementos distintos en proporciones invariables El
orbital Los aacutetomos con espacios desowpados en los orbitales agua es un ejemplo Todas s us moleacuteculas tienen un aacutetomo de su nivel maacutes alto tienden a interactuar y aformar enlaces de oxiacutegeno unido a dos de hidroacutegeno Las de las nubes del con otros aacutetomos mar de un lago siberiano de los peacuteta los de su tina de
Una molecula consta de dos o maacutes aacutetomos [midas en Ln enlace bantildeo o en cualquier otra parte tienen el doble de aacutetomos quiacutemico En los compuestos los aacutetomos de dos o maacutes elementos de hidroacutegeno que de oxiacutegeno En una mezcla dos o maacutes estaacuten unidos Una mezcla consta de sustancias entremezcladas sustancias se combinan sin enlazarse Por ejemplo hace
Figura 27 Regislro bioqulmico Usamos foacute rmulas al anota r las ecuaciones quiacutemicas que repre sentan reacciones ent re aacuteto os y moleacuteculas Las sustancias pa rticipante s en una reaccioacuten (reactivos) se escribe a la izq ie r a de una ffecha de reaccioacuten y los procl uc tos a la derecha El nuacutemero que precede a la loacuter ula indica cuaacutentas moleacutec ul as (o aacutetomos) e ntran en la reaccioacuten El mismo nuacutemero de aacutetomos que partiCipan ha de quedar a fina l l os atomos se entremezcldn pero nunc desaparecen Cueacuten te los pa ra cerciorarse de que haya escrito correctam nle la ecuac ioacuten
G Tercera capa Corresponde al tercer nivel de energiacutea Co sla de nueve orbilales (un orbital s tres p ycinco d) o sea li ene espacio para 18 eleclrones Osodio tiene un electroacuten en la tercera capa y I ~Ioro siete Ambos cuentan e n esp cios vac ios por lo cual son receptivos a enlace qulmlcos
a Segunda capa Correspo de a l segundo nivel de energla Tiene un orbital s y tres orbitales p esp CIO para un total ele ocho electrones El carbono tiene seis electrones dos en la primera capa y cuatro en la se~un Tiene cuatro e spacios vaciacuteos E oxiacutegeno tiene dos espac iOS vaclos El carbono y 01 oxigeno forman enlaces qulmicos
~
SODIO
l lp f- 110shy
electroacuten
protoacuten
neutroacuten
( I ) I
gt CARBONO OX IGOIO
6p+ 6e- 8p+ 8e
o Primera capa Corresponde al p ri mer nive l de ene gia Tiene un orbi tal (1 s) que puede albergar ( j dos electrones El hidroacutegeno tiene un solo elec troacuten HELIO HIDROacuteGENO en esta capa y lo libera faacuteci lmen e Un aacutetomo de 1p 1e- 2p + 2eshyhelio llene dos electrones (sin espacios vaCiacuteos) y no suele formar parle de los enlac s Quiacutemicos
Figura 26 iexclAnimadal Modelos de caoas que nos ayudan a visualizar los espacios vaclos en los orbitales maacutes externos del aacutetomo Cada circ ulo - capa- representa todos los orb ita les en n nivel rl e energfa Los circulas maacutes gra ndes corresponden a niveles ma al tos de energiacutea Los modelos estaacuten mlly s implificados En una rep re senlacloacuten mas real ista los elec trones apareceriacutean como Ilubes borrosas de denSidad orobabilistica unas 10000 veces maacutes grandes que el n cleo
Capiacutet ulo 2 La base qulmlca de la vid 23
Lo~ electrones de un tipo de atomo mteractuan en forma especiacutefica con los de otros aacutetomos Las interacciones dan origen a propiedades bien diferenoacuteaclC15 de las mohuas 01O091C05
FORMACiOacuteN DE ION ES Y LOS ENLACES IOacuteN ICOS
Un electroacuten -como recordaraacute- ti ne una carga negativa igual a la carga positiva de un protoacuten Cuando un aacutetoshymo contien igual nuacutem ro de electrones que de protones las cargas se equilibran entre iacute y entonces el aacutetom o tiene una carga net de cero CUclndo un aacutetomo gana un electroacuten maacutes adquiere una carga nega tiva neta Cuando pierde un e lEctroacuten adquiere una carga positiva neta n ambos casos se ha con er lido n ion
Un ejemplo un aacutetomo de cloro tiene siete protones Tiene sie te electrones (un espacio vaciacuteo) en el nivel del tershycer orbital que al anz su m aacutexima estabilidad cuando estaacute lleno con ocho Este aacutetomo tiende a atraer un elec troacuten de alguna otra pa rte Con ese electroacuten adiciacuteonal se transshyforma en un ion cloruro (C1-) con una carga negativa ne ta
O tro ejemplo un aacute tomo de sodio tiene 11 proton S y 11 electrones Su segun o nivel orbital es taacute lleno de electroshynes y soacutelo uno se ha ll en el terce r ni vel orbital Es m aacutes faacutecil liberar un electroacuten que obtener siete Cuando el aacute tomo lo hace tod aviacutea le quedan 11 p rotones Pe ro ahora tiene 10 elecl rones Se ha Lransformado en un ion sodio con una carga positiva neta (Na+)
peacuterdida de electrones ganancia de electrone
~-- ( = I I ~ ~ ~
) aacutetomo aacutetomo
de sodio (- iexcl de cloro j 11 p +
17 p + ~ ~
11 e- 17 e -shy
) --
- I I
Iion ~ ion II
I Isodio I cloro
11 p + I ~ J ) 17 p+
10 e 18 eshyshy
Gran des enlaces en las moleacuteculas b ioloacuteg icas
Recllerde qU las cargeacutels opuest se atraen Cuando un ion con carga po itiva se enc uenlra con o tro de carga negashytiva los dos pueden asociarse estrechamente entre siacute El enlace joacutenico es ese tipo de eacutelsociacioacuten Por ejemplo en la fig ura 28a vemos un cristal de sal de mesa NaC En este tipo de cris ta les los en laces ioacutenicos contienen iones de sodio y de cloruro en un arreglo cuacutebico ordenado
ENLACES COVA LE NTE5
En el enlace ioacutenico un aacute tomo que haya perd ido uno (1
maacutes electrones se asocia a otro que haya ganado uno o maacutes iquestQueacute sucede si ambos tienen espacio para otro elecshytroacuten Pued en compa1ti1 uno en un orbital h iacutebrido que incluya los dos nuacutecl eos El espacio libre de cada aacutetomo se ll ena con los electron s compartidos
Cuando los aacute tomos comparten dos electrones se unen en un solo enlace covalente (figura 28b) Est tipo de enshylace es estable y mucho maacutes fu erte que los ioacutenicos
Podemos representar el enlace cova lente en una foacutermushyla estructural que m ues tre la disposicioacuten fiacutesica de los aacutetomiddot m as de una moleacutecula Una liacutenea entre d os aacutetomos represhysenta un pa r de electrones que estaacuten siendo compartidos en un enlace coval nte simple Un ejemplo de este patroacuten es el h idroacutegeno molecular (H2) que tiene un enlace covalente y que puede escribirse como H - I-L Dos aacutetomos comparshyten dos pares de electrones en un enlace covalente do ble
+ Figura 28 iexclAmadol Enlaces impor ta les en las moleacuteculas bioloacuteg icas
24 Unidad I PrincipIOS de la Vldd celular
o Ej mplo de las interacciones consta ntes llamadas enlace iOacutenico En los cristales de la sal ele mesa (NaCI) muchos Iones sodio y Iones cloro se mantienen Juntos por la interaccion mutua de sus cargas opuestas
do un negashysiacute El
en la n este les de
uno o ) uno J elecshyo que mo se
unen ie enshy
oacutermushyiexclS iIacutetoshy
rep reshyios en roacuten es alente mparshydoble
OfCO
)fles
como en el oxiacutegeno molecular (0=0) Otros comparten tres parejas de electrones en un enlace covalente triple como en el nitroacutegeno molecular (Niexcliexcliexcliexcliexcliexcl ) Cada vez que resshypira las moleacuteculas O2 y N 2 fluyen hacia sus pulmones
En un enlace covalente no polar dos aacutetomos comparten el mismo nuacutemero de electrones asiacute que las moleacuteculas no l1luestran diferencia algunCl de carga entre los dos extreshymos del enlace Este tipo de enlaces se encuentran en el hidroacutegeno molecular (H 2) en el oxiacutegeno (02) y en el nitroacuteshygeno (NJ
En un enlace covalente polar dos aacutetomos no comparten el mismo nuacutemero de electrones iquestPor queacute Porque son eleshymentos diferentes y uno tiene maacutes protones que el otro El de maacutes protones ejerce mayor atraccioacuten sobre los electroshynes de manera que su ex tremo del enlace termina con una carga un poco nega tiva Decimos entonces que es elec troshynegativo -1 aacutetomo en el otro extremo del enlace termina con una carga un poco positiva Por ejemplo una moleacutecula de agLla (H-Q-H) tiene dos enlaces covalentes polares El aacutetomo de oxiacutegeno transporta una carga ligeramente negashytiVd y sus dos aacutetomos de hidroacutegeno transportan una carga ligeramente positiva
ENLAC ES DE HIDROacuteG ENO
Un enlilce de hidroacutegeno es una a traccioacuten deacuteb il formada entre un aacutetomo de hidroacutegeno enlazado covalentemente y un aacutetomo electronegativo de una moleacutecula diferente o en otra regioacuten de la misma moleacutecula
Das aacutetomos de hidroacutegeno cada uno con 10 )un protoacute comparten dos electrones en un enlace ~ ~ covalente S I pie no pOlar
hid roacutegeno molec ular (H2
)
H-H
Dos aacutetomos de hidroacutegeno cada uno con ocho protones comparten cuatro electrones en un enlace covalente doble no polar
oxiacutegeno molecu lar (0 2)
0 = 0
El oxiacutegeno tiene espacios vaciacuteos para dos electrones en sus orbitales de nivel maacutes alto de energia Dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir cada mo un electroacuten con ox igeno Los dos enlaces covalentes polares resultantes forman una moleacutecula de agu
o Enlaces covalentes Un aacutetomo se vuelve maacutes estable al compartir ares de electrones en orbitales hlb ridos
agua (H 20)
H-O-H
Como los enlaces de hidroacutegeno son deacutebiles se forman y se deshacen con facilidad Sin embargo en su conjunto muchos contribuyen a las propiedades del agua como veremos en la siguiente seccioacuten
Los enlaces de hidroacutegeno cumplen una importante funshycioacuten en la estructura y funcioacuten de las moleacutec ulas bioloacutegicas A menudo se forman en diversas partes de las moleacuteculas grandes que se han doblado sobre siacute mismas y los contieshynen en determinadas configuraciones Muchos de esos enlaces integran dos cadenas de nucleoacutetidos de ADN En la figura 28 se alude al nuacutemero de interacciones en este aacutecido ribonucleico
Los iones seforman cuando un aacutetomo adquiere una carga neta al ganar o perder electrones Dos iones de carga opuesta se atraen Pueden unirse en un enlace ioacutenico
En un enlace covalente los aacutetomos comparten un par de electrones Cuando los comparten en igual cantidad el enlace seraacute no polar Cuando lo comparten en desigual cantidad el enlace seraacute polar lig eramente positivo en un extremo ligeramente negativo en el otro
En un enlace de hidroacutegeno un aacutetomo de hidroacutegeno enlazado covalentemente atrae a otro peqUElO de carga negativa situado en otra moleacutecu la o en otra regioacuten de la misma moleacutecula
enlace de hidroacutegen o Dos moleacutecu las que interactuacutean deacutebi lmente en un enlace H Ipueden formarlo y moleacutecula _~ mol eacutecula romperlo faacutec ilmente de ag ua de amonio
Enlaces H que ayudan a mantener unida una parte de dos moleacuteculas grandes
Muchos enlaces H se mantienen unidos a lo largo de dos cadenas de ADN Son deacutebiles tomados individualmente pero en forma colechva pueden estabilizar una estructura grande del aacutecido
el Enl ces de hidroacutegeno Pueden formarse en un atomo de hidroacutegeno que ya tenga un enlace covalente en una moleacutecula La pequentildea carga pOSitiva del eacutetomo atrae deacuteb ilmente otro que tenga una pequera carga negativa y que tenga ya un enlace covalente con otra sustancia Como se aprecia eso puede suceder entre uno de los aacutetomos de hidroacutegeno en una moleacutecula de agua y el aacutetomo de nitroacutegeno en una moleacutecula de amoniaco
Capitulo 2 La base qUiacutemic a de la vida 25
---------------------------------------------------------
11
CONEXiOacuteN CON LA
S ECCiOacuteN
1 H 3 4
Li Be 11 12
NaMg 19 2~
K Ca 37 J~
Rb Sr 55 ~
es Ba 17 88 Fr Ra
I A (J~OS y FUMU-nOS
Comien ce con los aacutetomos
Si conoce un poco sobre los protones los neutrones y los electrones tendra una idea general de por queacute los elementos que constituyen el cuerpo se comportan de CInto modo Las propiedades exclusivas de cada elemento empiezan con el nuumlmero de protones de SU5
atamos
Un elemento repetimos es una sustancia fundamental que consta de una sola clase de aacutetomos Eacutestos se componen de tres tipos de partiacuteculas suba toacutemicas protones electrones y neutrones Un protoacuten lleva una carga positiva que se define como la can tidad de electricidad Al protoacuten 10 represhysentamos con el siacutembolo p + El nuacutecleo - o regioacuten centra1shyd el aacutetomo contiene uno o maacutes protones Con excepcioacuten del aacute tomo hidroacutegeno tambieacuten contiene neutrones que no lleshyva n carga Alrededor del nuacutecleo se encuentran uno o maacutes electrones que llevan una carga negativa (e-) En la figura 22 se muestran algunos modelos simp les de la estructura del aacutetomo
La carga positiva de un protoacuten y la carga negativa de un electroacuten se equilibran entre siacute Por tanto un aacute tomo con la misma cantidad de electrones y protones no tiene carga eleacutectrica
Los elementos poseen un nuacutemero atoacutemico especial que es la cantidad de protones dentro del nuacutecleo de sus aacutetoshymos Un aacutetomo hidroacutegeno tiene un protoacuten de modo que su nuacutemero a toacutemico es 1 El del carboacuten que tiene seis protoshynes es 6
Protones y neutrones contrib uyen a la masa del aacutetom o (Los electrones son demasiado diminutos para ello) Podeshymos asignarle a los elementos un nuacutemero de masa o sea la cantidad total de protones y de neutrones que estaacuten en el nuacutecleo El nuacutemero de masa del carbono es 12 es decir tiene seis protones y seis neutrones
He 5 ~ a
B e N o F Ne 13 14 1 5 lE 7
t Al Si 12
P 33
S CI
Al
Se
Y
Ti
U )
Nb Mo Te Ru Rh Pd
Ca
Ag
Zn
Cd
Ga 9
In
Ge
Su
As Se
bull Sb Te
Br SJ r
IV
Xe 1 o 8 12 ~l
Iu Hf fa W Re Os Ir Pt Au Hg 11 Pb Di Po At Rn t omiddot 11 t 11 lz Rf Db Sg 8h lIs Mi Ds Uun Uub Uut Uuq Uup Uuh
~o 1 iexcliexcl Bl amp4 amp o la Ce Pr Nd Prn sn Eu Gel lb Dy Ho Er Ttn Yb 5 q ~ 9 o ~ Th Pa U Np Po Arn Ctn Bk Cf Es Ftn Md No
Figura 23 Tabla perioacutedica de los elementos y Dm it ry Mende leev su creador Alg unos Siacutembolos de los elementos son la abreviatura de su nombre latino Por ejemplo Pb (p lomo) es la abreviacutea tu ra de plumbum el teacutermino plomeriacutea nos recuerda que los ant iguos romanos usaban Iplomo para con s rul r sus tubos de agua
20 Unidad I Pr inCipios de la Vida celular
C) a electroacuten b e
Figura 22 Varias fo rmas de representar los aacutetomos usando el hidroacuteg eno (H) como ejemplo (a) Modelo de capas adecuado pala mostrar el nuacutemero de electrones y su organizacioacuten al rededor de nuacutecleo (b) Los modelos de esferas muestran los tarnalos de los aacutetomos en relaCioacuten unos con otros (e) Las nubes de denSidad de los elec trones ind ican muy bien la distribucioacuten de los electrorles alrededor del nuacutecleo
iquestPor queacute molestarse con el nuacutemero de electrones de protones y neutrones Porque si lo conocemos seraacute maacutes faacutecil predecir coacutemo cada clase de elemen to se comportaraacute en diversas situaciones dentro del cuerpo y fuera de eacutel
Los elementos se clasificaban antes atendiendo a sus semejanzas quiacutemicas mucho antes que se descubriesen sus partiacuteculas subatoacutemicas En 1869 Dmitry Mendeleev maacutes famoso p or su cabello estrafalario que por su descushybrimiento (se lo cortaba una vez al antildeo) ordenoacute en un patroacuten repetitivo los elementos entonces conocidos basaacutenshydose para ello en sus p ropiedades quiacutemicas Utilizoacute los huecos en esta tabla perioacutedica de los elemen tos y de ese modo predijo correctamente la existencia de muchos eleshymentos todaviacutea no conocidos
Los elementos caen en el orden de la tabla conforme a su n uacutemero a toacutemico (fig ura 23) Todos los de una columna vertical tienen el mismo nuacutemero de electrones disponibles para la interaccioacuten con o tros aacute tomos De ahiacute que se comshyporten en forma similar Por ejemplo helio n eoacuten radoacuten y otros gases situados en la uacuteltima columna derecha de la tabla perioacutedica son elementos inertes Ninguno de los electrones en sus aacutetomos pueden participar en interaccioshynes quiacutemicas Estos elementos rara vez realizan funciones es taacuten principalmen te en aacutetomos solitarios
El lector no encontraraacute todos los elementos en la naturashyleza Los si tuados despueacutes del nuacutemero atoacutemico 92 son inestables en extremo Algu nos h an sido formados en canshytidades pequentildeiacutesimas dentro del laboratorio - 3 veces un solo aacutetomo- y dejan de existir muy pronto
Un elemento es una sustancia baacutesica compuesta por u na sola case de aacutetomos Eacutestos son las unidades maacutes pequentildeas que conservan las propiedades del elemento
Un aacutetomo consta de uno o maacutes protones con carga positiva de electrones con carga negativa y (exceptuado el hidroacutegeno) de neutrones El nuacutemero de electrones del aacutetomo determina si interactuaraacute con otros o 110
el para lel los j de es
~s de iexcl maacutes
)rtaraacute
~L
a sus iesen
eleev
lescushy
n un asaacutenshy
oacute los le ese
5 eleshy
middotme a
lmna libles comshy
adoacuten la de
e los lccioshy
Dnes
turashyson
canshy
S un
I AacuteTOMO~ y HEM ENTOS
LAClfNCIAAlgunas aplicaciones de los isoacutetopos V LA BIOLOGIA
Todos los elimen to~ se definen por el numero de I ctrones de mi atomogt pero el numero de neutrones puede SlT diferente Aesos atamos los llamamos Isoacutetopos del mismo IItnlPnto AI9unos son radiactIvos
En 1896 Henri Becquerel hizo un descubrimiento fo rtuito Habia
puesto unos cristales de uranio en un caj oacuten del escritorio junto a una moneda y una pa ntalla metaacutelica encima de al gunas hojas de papel negro opaco Debajo de eacuteste habia una placa fot ograacutefica Un
diacutea desp eacutes utilizoacute la peliacutecula y la revel oacute Sucedioacute algo extrantildeo
aparecioacute una imagen negativa de la moneda y de la pantalla metaacutelica Becquerel supuso que la energiacutea que emana ba de las
sales de uranio habiacutea atravesado el papel-impenetrable a la
luz- y habiacutea expuesto la peliacutec ula alrededor de los objetos
metaacutelicos Como ahora sabemos el uran io tiene isoacutetopos (15 de ellos) La
mayoriacutea de los elementos de la naturaleza tambieacuten los tienen el
carbono t ien e tres el nitroacuteg eno dos y asi sucesivamente El superiacute ndiCe a la izquierda del siacutembolo del elemento indica el
nuacutemero de masa del isoacutetopo Por ejemplo tres isoacutetopos naturales del carbono son 12C (carbono 12 la forma maacutes comuacuten con 6 protones 6 neutrones) BC (con 6 protones 7 neutrones) y 14C
(con 6 protones 8 neutrones)
Algunos isoacutetopos son inestables (o radiactivos) Un isoacutetopo r diactivo llamado tambieacuten radioisoacutetopo emite espontaacuteneamente
energi en forma de partiacuteculas subatoacutemicas y rayos cuando su
nuacutecleo se desintegra Este proceso llamado decaimiento radiactivo puede transformar un elemento en otro Por ejemplo
IlCy 14C son radioisoacutetopos del carbono Su decai miento es
predecible una cantidad particular de energiacutea se transforma e n u producto maacutes estable Al cabo de 5700 a ntildeos cerca de la mitad de los aacutetomos de una muestra de 14C se habraacuten transformado en
aacutetomos de llN (nitroacutegeno) Por medio del decaimiento radiactivo
105 invest ig adores calculan la edad de las rocas y los residuos
bioloacutegicos como se exp li caraacute en la seccioacuten 15 5 Los isoacutetopos de un elemento siguen siendo el mi smo
elemento La mayor parte del carbono sig ue siendo carbono sin importar cuaacutentos neutrones tenga Los sistemas vivos usan lC en la is ma form a que 14c Sabedores de eso los invest igadores o
meacutedicos que quieren localizar una sustancia pa rt icular construyen un marcador Los marcadores son moleacuteculas donde
un isoacutetopo maacutes estable ha sido sust ituido por un radioisoacutetopo
Figura 24 Animada (a) Paciente cuyo cerebro estaacute siendo examinado con un escaacutener de PET (b e) Un anillo de detectores i tercepta las emisiones radiactivas de los marcadores Que se inyectaron al paciente Se barre la reg ioacuten corporal de intereacute s Las compUadoras a nalizan y cod ifican en colores el nuacutemero de emiSiones de las localizaciones de la regioacuten examinada Despueacutes los result dos son convertidos en imaacutegenes digitales y se exhiben en panta llas de computadora
(d) Los colores de una tomografiacutea indican diferencias de la ac livid ad me aboacutelica Las ceacutelulas de l hemisferio izquierdO de este cerebro absorbieron y usaron en los nive les previstos las moleacuteculas marcadas Las ceacutelulas del hemisferi o derecho muestran poca ac lividad Este pac iente sufre un Irastorno neuroloacutegico
Pueden introducirse en un a ceacutelula o un cuerpo multi celular hasta
en las poblaciones utilizadas en los experimen tos de laboratorio La energiacutea liberada en el d ca im iento radiactivo es como una
t arj de em barque Ayuda a lo s Investig ado res a localizar la viacutea o des tino de una ustancia con ayuda de los instrumentos
detectores de radi ac tividad
Por ejemplo Melvin Cal vin y sus colegas ut il iza ron marcadores para descubrir los pasos especificos de reaccioacuten en la fotosiacuten tesis
Dejaron que unas plan tas en crecimiento captaran un gas rad iacti vo (dioacutexido de ca rbono prodUCido con 14C) Con
inst rumenlos detectores de la radiactividad sigu ieron el
radioisoacutetopo de ca rbono a traveacutes de los pasos con que las pl antas producen azuacutecare s y al mi dones sim ples
Los radioisoacutetopos se emplean tam bieacuten en medicina La teacutecn ica PET (abreviatura de tomografia por emi sioacuten de positrones) u sa
radioisoacutetopos para estudia r el metabol ism o Los medicos unen un rad ioi soacutetopo a la glucosa o a otra azuacutecar Inyeclan este
marcador a un pac iente y luego lo introducen en un escaacutener PET (figura 24a) Las ceacutelulas de distintas partes del cuerpo absorben
el m arcador a dist intas velocidades El escaacutener detecta la
radiacioacuten causada por la energiacutea liberada en el decaimiento del radi oisoacutetopo Con la radiacioacuten se form a una im agen en un
monitor como se aprecia en la figura 24 Las imaacutegenes revelan var iaciones y anormalidades en la actividad metaboacutel ica
reg ioacuten de l cuerpo anillo delector que esta siendo denlro del examinada escaacutener de PET
Capitulo 2 La hase quiacutemica de la vida 21
11 iquestQueacute sucede cuando un aacutetomo se enlaza a otro
CIlNFX()N Los atomos adquieren comparten y donan electrones Los de GCONtA SECCKlN algunos ltIementos hacen esto mIyfaacuteci lmente otros no lA qlJeacute se an
~debe eso Pora encontrar In resplIestajijese en el nuacutemero y la E
estructllra le los elpcfmnes pn los aacutetomos
fLf CTRONES y LOS IVEL ES DE ENERGiacuteA el cuarto (figura 25) - 1 helio con sus dos electrones no
[ n nuestro mundo la fiacutesica simple explica el movimiento de una manzan ltl que cae de un aacuterbol Los d imin utos elecshytronps pertenecen a un mundo raro donde no se aplicu e a Hsi (l (Si los electrone h l ieran el tamaiiacuteo de u na manshyan el lector seriacutea 5 veces maacutes aacutelto que el ilncho del sisshymiddotem il soJilr) Diversas fuerza producen el movimiento de los -le hones que pueden ir de un lugar a otro sin pilSltl r por en nwd io_
Pod mo calcul ar doacutende se halla l u) elect roacuten aunque no con exr1Ctit ud Lo mejor que p odemos hacer es decir que estaacute en alguacuten lugar den tro de una n ube borrosa de den ide d probabiliacutes tica El sitio o sit ios a donde puede d ishyrigirse dependeraacute de cuaacuten tos otros clcctrone pertenezcan al aacute tomo Los elec trones se disponen en orbi til le- es decir en voluacutemenes de espacio alred dar del nuacutecleo Son posishybles muchos orbitiexcllcs todos ellos con una forma tridimenshysional caracteriacutestica
El aacutetomo tiene el mismo nuacute mero de eleeacuteshytrones qle de protones La mayoriacutea de los Momos ti enen muchos electrones iquest oacutemo estaacuten d isp ues tos dado que los electrone e repelen entre siacute Imagine el aacutetomo como un edificio multiniveles de d partamentos con m u has cuar tos desocupados para alquilarshylos a electrones y con un nuacutecleo en el soacutetano Ca da cuar to es un orbital y se alquila a dos electrones cuando mu cho Un orbital con un electroacuten tiene soacutelo un cuarto desocushypado entonc S otro puede entra r
Cada piso del edificio corresponde a un nivel de energiacutea Hay lill solo cuarto en el prishymer piso (un rbital en el nivel maacutes bajo de energiacutea el maacutes cercano al nuacutecleo) Es el prishymero en ocuparse En el hidroacutegeno ---el aacuteto shymo maacutes simple- un electroacuten solitario ocupa
teTcer n iv 1 de e eTg ia
(segun o pISO)
segundo nivel de energiacutea
(primer piso)
primer nivel de energiacutea
(maacutes cere del sOtana
22 Unldaa I PrincipIOS de la VI a celular
tiene cuartos desocupados en el primer nivel de energiacutea (el maacutes bajo) En los aacutetomos maacutes grand es un mayor llLlmero d el trOlw alquilltl los cuartos del s gundo piso Si este piso se llena maacutes electrones rentaraacuten los cuartos del tercer piso y a iacute sucesivamente Los electrones llenan los orbitales eil niveles siempre maacutes altos de energiacutea
Cuanto m aacutes le jos es teacute un electroacuten del soacutetano (el nuacutecleo) maacutes ene rgiacutea tend raacute Un electron en un cuarto del primer piso no p uede pasar al segundo piso ni al tercero mucho menos al penthollse a menos q ue un aumento repentino de nergiacutea lo ponga ltl 11iacute Supong mas que el electroacuten absorbe su ficiente energiacutea de - digamos- la luz solar pa ra que lo motive a subi r Lo hace Si nada maacutes llena el cuarto de e bao r~pidam nte regre a r eacute l emitiendo maacutes nerg iacutea al hacerlo M s tarde el lector veraacute coacutemo las ceacutelulas
en las plantas en sus ojos aprovechan esa energiacutea
DE LO SAacuteTO MOS A LAS MOLECULAS
n los modelos de capa del aacutetomo las cltlpas anidadlls corresponden a los ni veles de energiacutea Nos ofrecen l l11
med io faacutecil de comp robar los espacios vaciacuteos de electroshynes como en la fi gLlra 26 o olvide que los aacutetomos no son como esos diagril mas planos Las capas no son voluacutemenes tridimensionales del espacio y ciertamente no mu shan los orbi tales de electrones
Los aacutetomos con espacios vaciacuteos en su cubierta maacutes externa tienden a liberar ad quirir o compartir electrones En reil lidad lo que llamamos enlaces quiacutemicos no son sino un caso de aacutetomos que comparten con otro sus elecmiddot trones Un c1tomo rara vez compartiraacute sus electrones SI
carece de espacios vaciacuteos Pero los aacutelamos maacutes comunes en los orga nismos - de oxiacutegeno carbono hidroacutegeno nitroacute shygeno y ceacutellcio- siacute los ti(nen en su nivel maacutes externo de energ iacutea Tienden i1 p ilf ticipltlr en los enl aces
Figura 25 Modelos de los niacuteveles primero segundo y erce del ilicio atoacuteml o de departa ento Ca a modelo es una aproximaciOn tridimensional a un orbital de tectrones Los c son maacutes ntensos en los sitios conde los electrones tienden maacute encontrarse en un momento de erminado Los orbitales maacutes al
el lIucie f-Joseell maacutes energfa y son maacutes complejos
(])
l
C trones no
~ energiacutea (el (or n uacute mero )i o Si este
~s del Icrcer
(IrJi laes en
(el nuacutecleo)
del primer ero m ucho ) repentino
el electroacuten luz solar
laacutes Uena el tiendo maacutes ) las ceacutelulas middotgiacutea
anidadas ofrecen un
de electroshymos no son voluacutemenes ) muestra n
bier ta maacutes
lectrones
os no son o sus elecshy~ c tron s si Jmunes en 2no nitroacuteshy
=xterno de
nda y lercero 10 es una nes Los colores iexcl lienden maacutes a lales maacutes a lejad os
1 l TII ene rgfiexcliexcl 1 L L ]tI el
luz solar I 12HzO + 6C02
602 + C6HJ206 + 6H2O
(X[[) [1 UI II n ( I 1
12 oxigenas 6 carbonos 12 hid roacutegenos 12 oxiacutegenos 12 oxiacutegenos 24 h droacutegenos 6 carbonos
iacute 2 hid roacutegenos 6 oxigenas 6 oxiacutegenos
Una moleacutecula es s implemente dos o maacutes aacutetomos de ele shy una mezcla al introducir azuacutecar en el agua La proporcioacuten
mentos ideacutenticos o dis tintos unidos en un enlace quiacutemico de los elementos puede variar en esta mezcla o en cualshy
Podemos escribir la composicioacuten quiacutemica de una moleacutecula quier otro tipo
mediante una foacutermula la cual usa los siacutembolos de los eleshymentos y los subuacute1dices del nlunero de aacutetomos de los elemenshytos (figura 27) P o r ejemplo una moleacutecula de agua tiene la
Los electrones ocupan orbitales esto es voluacutemenes definidos de foacutermula quiacutemica HzO El subiacutendice indica que hay dos aacutetoshyespacio alrededor del nuacutecleo del aacutetomo Los orbitales sucesivos mos de hidroacutegeno (H) por uno de oxiacutegeno (O) Si tenemos corresponden a niveles de energiacutea wya altura aumenta con la
seis moleacuteculas de agua habriacutea mos escrito 6H20 distancia respecto al nuacutecleo Los compuestos son moleacuteculas que cons tan de dos o
UlO o al maacuteximo dos electrones pueden ocupar cualquiermaacutes elementos distintos en proporciones invariables El
orbital Los aacutetomos con espacios desowpados en los orbitales agua es un ejemplo Todas s us moleacuteculas tienen un aacutetomo de su nivel maacutes alto tienden a interactuar y aformar enlaces de oxiacutegeno unido a dos de hidroacutegeno Las de las nubes del con otros aacutetomos mar de un lago siberiano de los peacuteta los de su tina de
Una molecula consta de dos o maacutes aacutetomos [midas en Ln enlace bantildeo o en cualquier otra parte tienen el doble de aacutetomos quiacutemico En los compuestos los aacutetomos de dos o maacutes elementos de hidroacutegeno que de oxiacutegeno En una mezcla dos o maacutes estaacuten unidos Una mezcla consta de sustancias entremezcladas sustancias se combinan sin enlazarse Por ejemplo hace
Figura 27 Regislro bioqulmico Usamos foacute rmulas al anota r las ecuaciones quiacutemicas que repre sentan reacciones ent re aacuteto os y moleacuteculas Las sustancias pa rticipante s en una reaccioacuten (reactivos) se escribe a la izq ie r a de una ffecha de reaccioacuten y los procl uc tos a la derecha El nuacutemero que precede a la loacuter ula indica cuaacutentas moleacutec ul as (o aacutetomos) e ntran en la reaccioacuten El mismo nuacutemero de aacutetomos que partiCipan ha de quedar a fina l l os atomos se entremezcldn pero nunc desaparecen Cueacuten te los pa ra cerciorarse de que haya escrito correctam nle la ecuac ioacuten
G Tercera capa Corresponde al tercer nivel de energiacutea Co sla de nueve orbilales (un orbital s tres p ycinco d) o sea li ene espacio para 18 eleclrones Osodio tiene un electroacuten en la tercera capa y I ~Ioro siete Ambos cuentan e n esp cios vac ios por lo cual son receptivos a enlace qulmlcos
a Segunda capa Correspo de a l segundo nivel de energla Tiene un orbital s y tres orbitales p esp CIO para un total ele ocho electrones El carbono tiene seis electrones dos en la primera capa y cuatro en la se~un Tiene cuatro e spacios vaciacuteos E oxiacutegeno tiene dos espac iOS vaclos El carbono y 01 oxigeno forman enlaces qulmicos
~
SODIO
l lp f- 110shy
electroacuten
protoacuten
neutroacuten
( I ) I
gt CARBONO OX IGOIO
6p+ 6e- 8p+ 8e
o Primera capa Corresponde al p ri mer nive l de ene gia Tiene un orbi tal (1 s) que puede albergar ( j dos electrones El hidroacutegeno tiene un solo elec troacuten HELIO HIDROacuteGENO en esta capa y lo libera faacuteci lmen e Un aacutetomo de 1p 1e- 2p + 2eshyhelio llene dos electrones (sin espacios vaCiacuteos) y no suele formar parle de los enlac s Quiacutemicos
Figura 26 iexclAnimadal Modelos de caoas que nos ayudan a visualizar los espacios vaclos en los orbitales maacutes externos del aacutetomo Cada circ ulo - capa- representa todos los orb ita les en n nivel rl e energfa Los circulas maacutes gra ndes corresponden a niveles ma al tos de energiacutea Los modelos estaacuten mlly s implificados En una rep re senlacloacuten mas real ista los elec trones apareceriacutean como Ilubes borrosas de denSidad orobabilistica unas 10000 veces maacutes grandes que el n cleo
Capiacutet ulo 2 La base qulmlca de la vid 23
Lo~ electrones de un tipo de atomo mteractuan en forma especiacutefica con los de otros aacutetomos Las interacciones dan origen a propiedades bien diferenoacuteaclC15 de las mohuas 01O091C05
FORMACiOacuteN DE ION ES Y LOS ENLACES IOacuteN ICOS
Un electroacuten -como recordaraacute- ti ne una carga negativa igual a la carga positiva de un protoacuten Cuando un aacutetoshymo contien igual nuacutem ro de electrones que de protones las cargas se equilibran entre iacute y entonces el aacutetom o tiene una carga net de cero CUclndo un aacutetomo gana un electroacuten maacutes adquiere una carga nega tiva neta Cuando pierde un e lEctroacuten adquiere una carga positiva neta n ambos casos se ha con er lido n ion
Un ejemplo un aacutetomo de cloro tiene siete protones Tiene sie te electrones (un espacio vaciacuteo) en el nivel del tershycer orbital que al anz su m aacutexima estabilidad cuando estaacute lleno con ocho Este aacutetomo tiende a atraer un elec troacuten de alguna otra pa rte Con ese electroacuten adiciacuteonal se transshyforma en un ion cloruro (C1-) con una carga negativa ne ta
O tro ejemplo un aacute tomo de sodio tiene 11 proton S y 11 electrones Su segun o nivel orbital es taacute lleno de electroshynes y soacutelo uno se ha ll en el terce r ni vel orbital Es m aacutes faacutecil liberar un electroacuten que obtener siete Cuando el aacute tomo lo hace tod aviacutea le quedan 11 p rotones Pe ro ahora tiene 10 elecl rones Se ha Lransformado en un ion sodio con una carga positiva neta (Na+)
peacuterdida de electrones ganancia de electrone
~-- ( = I I ~ ~ ~
) aacutetomo aacutetomo
de sodio (- iexcl de cloro j 11 p +
17 p + ~ ~
11 e- 17 e -shy
) --
- I I
Iion ~ ion II
I Isodio I cloro
11 p + I ~ J ) 17 p+
10 e 18 eshyshy
Gran des enlaces en las moleacuteculas b ioloacuteg icas
Recllerde qU las cargeacutels opuest se atraen Cuando un ion con carga po itiva se enc uenlra con o tro de carga negashytiva los dos pueden asociarse estrechamente entre siacute El enlace joacutenico es ese tipo de eacutelsociacioacuten Por ejemplo en la fig ura 28a vemos un cristal de sal de mesa NaC En este tipo de cris ta les los en laces ioacutenicos contienen iones de sodio y de cloruro en un arreglo cuacutebico ordenado
ENLACES COVA LE NTE5
En el enlace ioacutenico un aacute tomo que haya perd ido uno (1
maacutes electrones se asocia a otro que haya ganado uno o maacutes iquestQueacute sucede si ambos tienen espacio para otro elecshytroacuten Pued en compa1ti1 uno en un orbital h iacutebrido que incluya los dos nuacutecl eos El espacio libre de cada aacutetomo se ll ena con los electron s compartidos
Cuando los aacute tomos comparten dos electrones se unen en un solo enlace covalente (figura 28b) Est tipo de enshylace es estable y mucho maacutes fu erte que los ioacutenicos
Podemos representar el enlace cova lente en una foacutermushyla estructural que m ues tre la disposicioacuten fiacutesica de los aacutetomiddot m as de una moleacutecula Una liacutenea entre d os aacutetomos represhysenta un pa r de electrones que estaacuten siendo compartidos en un enlace coval nte simple Un ejemplo de este patroacuten es el h idroacutegeno molecular (H2) que tiene un enlace covalente y que puede escribirse como H - I-L Dos aacutetomos comparshyten dos pares de electrones en un enlace covalente do ble
+ Figura 28 iexclAmadol Enlaces impor ta les en las moleacuteculas bioloacuteg icas
24 Unidad I PrincipIOS de la Vldd celular
o Ej mplo de las interacciones consta ntes llamadas enlace iOacutenico En los cristales de la sal ele mesa (NaCI) muchos Iones sodio y Iones cloro se mantienen Juntos por la interaccion mutua de sus cargas opuestas
do un negashysiacute El
en la n este les de
uno o ) uno J elecshyo que mo se
unen ie enshy
oacutermushyiexclS iIacutetoshy
rep reshyios en roacuten es alente mparshydoble
OfCO
)fles
como en el oxiacutegeno molecular (0=0) Otros comparten tres parejas de electrones en un enlace covalente triple como en el nitroacutegeno molecular (Niexcliexcliexcliexcliexcliexcl ) Cada vez que resshypira las moleacuteculas O2 y N 2 fluyen hacia sus pulmones
En un enlace covalente no polar dos aacutetomos comparten el mismo nuacutemero de electrones asiacute que las moleacuteculas no l1luestran diferencia algunCl de carga entre los dos extreshymos del enlace Este tipo de enlaces se encuentran en el hidroacutegeno molecular (H 2) en el oxiacutegeno (02) y en el nitroacuteshygeno (NJ
En un enlace covalente polar dos aacutetomos no comparten el mismo nuacutemero de electrones iquestPor queacute Porque son eleshymentos diferentes y uno tiene maacutes protones que el otro El de maacutes protones ejerce mayor atraccioacuten sobre los electroshynes de manera que su ex tremo del enlace termina con una carga un poco nega tiva Decimos entonces que es elec troshynegativo -1 aacutetomo en el otro extremo del enlace termina con una carga un poco positiva Por ejemplo una moleacutecula de agLla (H-Q-H) tiene dos enlaces covalentes polares El aacutetomo de oxiacutegeno transporta una carga ligeramente negashytiVd y sus dos aacutetomos de hidroacutegeno transportan una carga ligeramente positiva
ENLAC ES DE HIDROacuteG ENO
Un enlilce de hidroacutegeno es una a traccioacuten deacuteb il formada entre un aacutetomo de hidroacutegeno enlazado covalentemente y un aacutetomo electronegativo de una moleacutecula diferente o en otra regioacuten de la misma moleacutecula
Das aacutetomos de hidroacutegeno cada uno con 10 )un protoacute comparten dos electrones en un enlace ~ ~ covalente S I pie no pOlar
hid roacutegeno molec ular (H2
)
H-H
Dos aacutetomos de hidroacutegeno cada uno con ocho protones comparten cuatro electrones en un enlace covalente doble no polar
oxiacutegeno molecu lar (0 2)
0 = 0
El oxiacutegeno tiene espacios vaciacuteos para dos electrones en sus orbitales de nivel maacutes alto de energia Dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir cada mo un electroacuten con ox igeno Los dos enlaces covalentes polares resultantes forman una moleacutecula de agu
o Enlaces covalentes Un aacutetomo se vuelve maacutes estable al compartir ares de electrones en orbitales hlb ridos
agua (H 20)
H-O-H
Como los enlaces de hidroacutegeno son deacutebiles se forman y se deshacen con facilidad Sin embargo en su conjunto muchos contribuyen a las propiedades del agua como veremos en la siguiente seccioacuten
Los enlaces de hidroacutegeno cumplen una importante funshycioacuten en la estructura y funcioacuten de las moleacutec ulas bioloacutegicas A menudo se forman en diversas partes de las moleacuteculas grandes que se han doblado sobre siacute mismas y los contieshynen en determinadas configuraciones Muchos de esos enlaces integran dos cadenas de nucleoacutetidos de ADN En la figura 28 se alude al nuacutemero de interacciones en este aacutecido ribonucleico
Los iones seforman cuando un aacutetomo adquiere una carga neta al ganar o perder electrones Dos iones de carga opuesta se atraen Pueden unirse en un enlace ioacutenico
En un enlace covalente los aacutetomos comparten un par de electrones Cuando los comparten en igual cantidad el enlace seraacute no polar Cuando lo comparten en desigual cantidad el enlace seraacute polar lig eramente positivo en un extremo ligeramente negativo en el otro
En un enlace de hidroacutegeno un aacutetomo de hidroacutegeno enlazado covalentemente atrae a otro peqUElO de carga negativa situado en otra moleacutecu la o en otra regioacuten de la misma moleacutecula
enlace de hidroacutegen o Dos moleacutecu las que interactuacutean deacutebi lmente en un enlace H Ipueden formarlo y moleacutecula _~ mol eacutecula romperlo faacutec ilmente de ag ua de amonio
Enlaces H que ayudan a mantener unida una parte de dos moleacuteculas grandes
Muchos enlaces H se mantienen unidos a lo largo de dos cadenas de ADN Son deacutebiles tomados individualmente pero en forma colechva pueden estabilizar una estructura grande del aacutecido
el Enl ces de hidroacutegeno Pueden formarse en un atomo de hidroacutegeno que ya tenga un enlace covalente en una moleacutecula La pequentildea carga pOSitiva del eacutetomo atrae deacuteb ilmente otro que tenga una pequera carga negativa y que tenga ya un enlace covalente con otra sustancia Como se aprecia eso puede suceder entre uno de los aacutetomos de hidroacutegeno en una moleacutecula de agua y el aacutetomo de nitroacutegeno en una moleacutecula de amoniaco
Capitulo 2 La base qUiacutemic a de la vida 25
el para lel los j de es
~s de iexcl maacutes
)rtaraacute
~L
a sus iesen
eleev
lescushy
n un asaacutenshy
oacute los le ese
5 eleshy
middotme a
lmna libles comshy
adoacuten la de
e los lccioshy
Dnes
turashyson
canshy
S un
I AacuteTOMO~ y HEM ENTOS
LAClfNCIAAlgunas aplicaciones de los isoacutetopos V LA BIOLOGIA
Todos los elimen to~ se definen por el numero de I ctrones de mi atomogt pero el numero de neutrones puede SlT diferente Aesos atamos los llamamos Isoacutetopos del mismo IItnlPnto AI9unos son radiactIvos
En 1896 Henri Becquerel hizo un descubrimiento fo rtuito Habia
puesto unos cristales de uranio en un caj oacuten del escritorio junto a una moneda y una pa ntalla metaacutelica encima de al gunas hojas de papel negro opaco Debajo de eacuteste habia una placa fot ograacutefica Un
diacutea desp eacutes utilizoacute la peliacutecula y la revel oacute Sucedioacute algo extrantildeo
aparecioacute una imagen negativa de la moneda y de la pantalla metaacutelica Becquerel supuso que la energiacutea que emana ba de las
sales de uranio habiacutea atravesado el papel-impenetrable a la
luz- y habiacutea expuesto la peliacutec ula alrededor de los objetos
metaacutelicos Como ahora sabemos el uran io tiene isoacutetopos (15 de ellos) La
mayoriacutea de los elementos de la naturaleza tambieacuten los tienen el
carbono t ien e tres el nitroacuteg eno dos y asi sucesivamente El superiacute ndiCe a la izquierda del siacutembolo del elemento indica el
nuacutemero de masa del isoacutetopo Por ejemplo tres isoacutetopos naturales del carbono son 12C (carbono 12 la forma maacutes comuacuten con 6 protones 6 neutrones) BC (con 6 protones 7 neutrones) y 14C
(con 6 protones 8 neutrones)
Algunos isoacutetopos son inestables (o radiactivos) Un isoacutetopo r diactivo llamado tambieacuten radioisoacutetopo emite espontaacuteneamente
energi en forma de partiacuteculas subatoacutemicas y rayos cuando su
nuacutecleo se desintegra Este proceso llamado decaimiento radiactivo puede transformar un elemento en otro Por ejemplo
IlCy 14C son radioisoacutetopos del carbono Su decai miento es
predecible una cantidad particular de energiacutea se transforma e n u producto maacutes estable Al cabo de 5700 a ntildeos cerca de la mitad de los aacutetomos de una muestra de 14C se habraacuten transformado en
aacutetomos de llN (nitroacutegeno) Por medio del decaimiento radiactivo
105 invest ig adores calculan la edad de las rocas y los residuos
bioloacutegicos como se exp li caraacute en la seccioacuten 15 5 Los isoacutetopos de un elemento siguen siendo el mi smo
elemento La mayor parte del carbono sig ue siendo carbono sin importar cuaacutentos neutrones tenga Los sistemas vivos usan lC en la is ma form a que 14c Sabedores de eso los invest igadores o
meacutedicos que quieren localizar una sustancia pa rt icular construyen un marcador Los marcadores son moleacuteculas donde
un isoacutetopo maacutes estable ha sido sust ituido por un radioisoacutetopo
Figura 24 Animada (a) Paciente cuyo cerebro estaacute siendo examinado con un escaacutener de PET (b e) Un anillo de detectores i tercepta las emisiones radiactivas de los marcadores Que se inyectaron al paciente Se barre la reg ioacuten corporal de intereacute s Las compUadoras a nalizan y cod ifican en colores el nuacutemero de emiSiones de las localizaciones de la regioacuten examinada Despueacutes los result dos son convertidos en imaacutegenes digitales y se exhiben en panta llas de computadora
(d) Los colores de una tomografiacutea indican diferencias de la ac livid ad me aboacutelica Las ceacutelulas de l hemisferio izquierdO de este cerebro absorbieron y usaron en los nive les previstos las moleacuteculas marcadas Las ceacutelulas del hemisferi o derecho muestran poca ac lividad Este pac iente sufre un Irastorno neuroloacutegico
Pueden introducirse en un a ceacutelula o un cuerpo multi celular hasta
en las poblaciones utilizadas en los experimen tos de laboratorio La energiacutea liberada en el d ca im iento radiactivo es como una
t arj de em barque Ayuda a lo s Investig ado res a localizar la viacutea o des tino de una ustancia con ayuda de los instrumentos
detectores de radi ac tividad
Por ejemplo Melvin Cal vin y sus colegas ut il iza ron marcadores para descubrir los pasos especificos de reaccioacuten en la fotosiacuten tesis
Dejaron que unas plan tas en crecimiento captaran un gas rad iacti vo (dioacutexido de ca rbono prodUCido con 14C) Con
inst rumenlos detectores de la radiactividad sigu ieron el
radioisoacutetopo de ca rbono a traveacutes de los pasos con que las pl antas producen azuacutecare s y al mi dones sim ples
Los radioisoacutetopos se emplean tam bieacuten en medicina La teacutecn ica PET (abreviatura de tomografia por emi sioacuten de positrones) u sa
radioisoacutetopos para estudia r el metabol ism o Los medicos unen un rad ioi soacutetopo a la glucosa o a otra azuacutecar Inyeclan este
marcador a un pac iente y luego lo introducen en un escaacutener PET (figura 24a) Las ceacutelulas de distintas partes del cuerpo absorben
el m arcador a dist intas velocidades El escaacutener detecta la
radiacioacuten causada por la energiacutea liberada en el decaimiento del radi oisoacutetopo Con la radiacioacuten se form a una im agen en un
monitor como se aprecia en la figura 24 Las imaacutegenes revelan var iaciones y anormalidades en la actividad metaboacutel ica
reg ioacuten de l cuerpo anillo delector que esta siendo denlro del examinada escaacutener de PET
Capitulo 2 La hase quiacutemica de la vida 21
11 iquestQueacute sucede cuando un aacutetomo se enlaza a otro
CIlNFX()N Los atomos adquieren comparten y donan electrones Los de GCONtA SECCKlN algunos ltIementos hacen esto mIyfaacuteci lmente otros no lA qlJeacute se an
~debe eso Pora encontrar In resplIestajijese en el nuacutemero y la E
estructllra le los elpcfmnes pn los aacutetomos
fLf CTRONES y LOS IVEL ES DE ENERGiacuteA el cuarto (figura 25) - 1 helio con sus dos electrones no
[ n nuestro mundo la fiacutesica simple explica el movimiento de una manzan ltl que cae de un aacuterbol Los d imin utos elecshytronps pertenecen a un mundo raro donde no se aplicu e a Hsi (l (Si los electrone h l ieran el tamaiiacuteo de u na manshyan el lector seriacutea 5 veces maacutes aacutelto que el ilncho del sisshymiddotem il soJilr) Diversas fuerza producen el movimiento de los -le hones que pueden ir de un lugar a otro sin pilSltl r por en nwd io_
Pod mo calcul ar doacutende se halla l u) elect roacuten aunque no con exr1Ctit ud Lo mejor que p odemos hacer es decir que estaacute en alguacuten lugar den tro de una n ube borrosa de den ide d probabiliacutes tica El sitio o sit ios a donde puede d ishyrigirse dependeraacute de cuaacuten tos otros clcctrone pertenezcan al aacute tomo Los elec trones se disponen en orbi til le- es decir en voluacutemenes de espacio alred dar del nuacutecleo Son posishybles muchos orbitiexcllcs todos ellos con una forma tridimenshysional caracteriacutestica
El aacutetomo tiene el mismo nuacute mero de eleeacuteshytrones qle de protones La mayoriacutea de los Momos ti enen muchos electrones iquest oacutemo estaacuten d isp ues tos dado que los electrone e repelen entre siacute Imagine el aacutetomo como un edificio multiniveles de d partamentos con m u has cuar tos desocupados para alquilarshylos a electrones y con un nuacutecleo en el soacutetano Ca da cuar to es un orbital y se alquila a dos electrones cuando mu cho Un orbital con un electroacuten tiene soacutelo un cuarto desocushypado entonc S otro puede entra r
Cada piso del edificio corresponde a un nivel de energiacutea Hay lill solo cuarto en el prishymer piso (un rbital en el nivel maacutes bajo de energiacutea el maacutes cercano al nuacutecleo) Es el prishymero en ocuparse En el hidroacutegeno ---el aacuteto shymo maacutes simple- un electroacuten solitario ocupa
teTcer n iv 1 de e eTg ia
(segun o pISO)
segundo nivel de energiacutea
(primer piso)
primer nivel de energiacutea
(maacutes cere del sOtana
22 Unldaa I PrincipIOS de la VI a celular
tiene cuartos desocupados en el primer nivel de energiacutea (el maacutes bajo) En los aacutetomos maacutes grand es un mayor llLlmero d el trOlw alquilltl los cuartos del s gundo piso Si este piso se llena maacutes electrones rentaraacuten los cuartos del tercer piso y a iacute sucesivamente Los electrones llenan los orbitales eil niveles siempre maacutes altos de energiacutea
Cuanto m aacutes le jos es teacute un electroacuten del soacutetano (el nuacutecleo) maacutes ene rgiacutea tend raacute Un electron en un cuarto del primer piso no p uede pasar al segundo piso ni al tercero mucho menos al penthollse a menos q ue un aumento repentino de nergiacutea lo ponga ltl 11iacute Supong mas que el electroacuten absorbe su ficiente energiacutea de - digamos- la luz solar pa ra que lo motive a subi r Lo hace Si nada maacutes llena el cuarto de e bao r~pidam nte regre a r eacute l emitiendo maacutes nerg iacutea al hacerlo M s tarde el lector veraacute coacutemo las ceacutelulas
en las plantas en sus ojos aprovechan esa energiacutea
DE LO SAacuteTO MOS A LAS MOLECULAS
n los modelos de capa del aacutetomo las cltlpas anidadlls corresponden a los ni veles de energiacutea Nos ofrecen l l11
med io faacutecil de comp robar los espacios vaciacuteos de electroshynes como en la fi gLlra 26 o olvide que los aacutetomos no son como esos diagril mas planos Las capas no son voluacutemenes tridimensionales del espacio y ciertamente no mu shan los orbi tales de electrones
Los aacutetomos con espacios vaciacuteos en su cubierta maacutes externa tienden a liberar ad quirir o compartir electrones En reil lidad lo que llamamos enlaces quiacutemicos no son sino un caso de aacutetomos que comparten con otro sus elecmiddot trones Un c1tomo rara vez compartiraacute sus electrones SI
carece de espacios vaciacuteos Pero los aacutelamos maacutes comunes en los orga nismos - de oxiacutegeno carbono hidroacutegeno nitroacute shygeno y ceacutellcio- siacute los ti(nen en su nivel maacutes externo de energ iacutea Tienden i1 p ilf ticipltlr en los enl aces
Figura 25 Modelos de los niacuteveles primero segundo y erce del ilicio atoacuteml o de departa ento Ca a modelo es una aproximaciOn tridimensional a un orbital de tectrones Los c son maacutes ntensos en los sitios conde los electrones tienden maacute encontrarse en un momento de erminado Los orbitales maacutes al
el lIucie f-Joseell maacutes energfa y son maacutes complejos
(])
l
C trones no
~ energiacutea (el (or n uacute mero )i o Si este
~s del Icrcer
(IrJi laes en
(el nuacutecleo)
del primer ero m ucho ) repentino
el electroacuten luz solar
laacutes Uena el tiendo maacutes ) las ceacutelulas middotgiacutea
anidadas ofrecen un
de electroshymos no son voluacutemenes ) muestra n
bier ta maacutes
lectrones
os no son o sus elecshy~ c tron s si Jmunes en 2no nitroacuteshy
=xterno de
nda y lercero 10 es una nes Los colores iexcl lienden maacutes a lales maacutes a lejad os
1 l TII ene rgfiexcliexcl 1 L L ]tI el
luz solar I 12HzO + 6C02
602 + C6HJ206 + 6H2O
(X[[) [1 UI II n ( I 1
12 oxigenas 6 carbonos 12 hid roacutegenos 12 oxiacutegenos 12 oxiacutegenos 24 h droacutegenos 6 carbonos
iacute 2 hid roacutegenos 6 oxigenas 6 oxiacutegenos
Una moleacutecula es s implemente dos o maacutes aacutetomos de ele shy una mezcla al introducir azuacutecar en el agua La proporcioacuten
mentos ideacutenticos o dis tintos unidos en un enlace quiacutemico de los elementos puede variar en esta mezcla o en cualshy
Podemos escribir la composicioacuten quiacutemica de una moleacutecula quier otro tipo
mediante una foacutermula la cual usa los siacutembolos de los eleshymentos y los subuacute1dices del nlunero de aacutetomos de los elemenshytos (figura 27) P o r ejemplo una moleacutecula de agua tiene la
Los electrones ocupan orbitales esto es voluacutemenes definidos de foacutermula quiacutemica HzO El subiacutendice indica que hay dos aacutetoshyespacio alrededor del nuacutecleo del aacutetomo Los orbitales sucesivos mos de hidroacutegeno (H) por uno de oxiacutegeno (O) Si tenemos corresponden a niveles de energiacutea wya altura aumenta con la
seis moleacuteculas de agua habriacutea mos escrito 6H20 distancia respecto al nuacutecleo Los compuestos son moleacuteculas que cons tan de dos o
UlO o al maacuteximo dos electrones pueden ocupar cualquiermaacutes elementos distintos en proporciones invariables El
orbital Los aacutetomos con espacios desowpados en los orbitales agua es un ejemplo Todas s us moleacuteculas tienen un aacutetomo de su nivel maacutes alto tienden a interactuar y aformar enlaces de oxiacutegeno unido a dos de hidroacutegeno Las de las nubes del con otros aacutetomos mar de un lago siberiano de los peacuteta los de su tina de
Una molecula consta de dos o maacutes aacutetomos [midas en Ln enlace bantildeo o en cualquier otra parte tienen el doble de aacutetomos quiacutemico En los compuestos los aacutetomos de dos o maacutes elementos de hidroacutegeno que de oxiacutegeno En una mezcla dos o maacutes estaacuten unidos Una mezcla consta de sustancias entremezcladas sustancias se combinan sin enlazarse Por ejemplo hace
Figura 27 Regislro bioqulmico Usamos foacute rmulas al anota r las ecuaciones quiacutemicas que repre sentan reacciones ent re aacuteto os y moleacuteculas Las sustancias pa rticipante s en una reaccioacuten (reactivos) se escribe a la izq ie r a de una ffecha de reaccioacuten y los procl uc tos a la derecha El nuacutemero que precede a la loacuter ula indica cuaacutentas moleacutec ul as (o aacutetomos) e ntran en la reaccioacuten El mismo nuacutemero de aacutetomos que partiCipan ha de quedar a fina l l os atomos se entremezcldn pero nunc desaparecen Cueacuten te los pa ra cerciorarse de que haya escrito correctam nle la ecuac ioacuten
G Tercera capa Corresponde al tercer nivel de energiacutea Co sla de nueve orbilales (un orbital s tres p ycinco d) o sea li ene espacio para 18 eleclrones Osodio tiene un electroacuten en la tercera capa y I ~Ioro siete Ambos cuentan e n esp cios vac ios por lo cual son receptivos a enlace qulmlcos
a Segunda capa Correspo de a l segundo nivel de energla Tiene un orbital s y tres orbitales p esp CIO para un total ele ocho electrones El carbono tiene seis electrones dos en la primera capa y cuatro en la se~un Tiene cuatro e spacios vaciacuteos E oxiacutegeno tiene dos espac iOS vaclos El carbono y 01 oxigeno forman enlaces qulmicos
~
SODIO
l lp f- 110shy
electroacuten
protoacuten
neutroacuten
( I ) I
gt CARBONO OX IGOIO
6p+ 6e- 8p+ 8e
o Primera capa Corresponde al p ri mer nive l de ene gia Tiene un orbi tal (1 s) que puede albergar ( j dos electrones El hidroacutegeno tiene un solo elec troacuten HELIO HIDROacuteGENO en esta capa y lo libera faacuteci lmen e Un aacutetomo de 1p 1e- 2p + 2eshyhelio llene dos electrones (sin espacios vaCiacuteos) y no suele formar parle de los enlac s Quiacutemicos
Figura 26 iexclAnimadal Modelos de caoas que nos ayudan a visualizar los espacios vaclos en los orbitales maacutes externos del aacutetomo Cada circ ulo - capa- representa todos los orb ita les en n nivel rl e energfa Los circulas maacutes gra ndes corresponden a niveles ma al tos de energiacutea Los modelos estaacuten mlly s implificados En una rep re senlacloacuten mas real ista los elec trones apareceriacutean como Ilubes borrosas de denSidad orobabilistica unas 10000 veces maacutes grandes que el n cleo
Capiacutet ulo 2 La base qulmlca de la vid 23
Lo~ electrones de un tipo de atomo mteractuan en forma especiacutefica con los de otros aacutetomos Las interacciones dan origen a propiedades bien diferenoacuteaclC15 de las mohuas 01O091C05
FORMACiOacuteN DE ION ES Y LOS ENLACES IOacuteN ICOS
Un electroacuten -como recordaraacute- ti ne una carga negativa igual a la carga positiva de un protoacuten Cuando un aacutetoshymo contien igual nuacutem ro de electrones que de protones las cargas se equilibran entre iacute y entonces el aacutetom o tiene una carga net de cero CUclndo un aacutetomo gana un electroacuten maacutes adquiere una carga nega tiva neta Cuando pierde un e lEctroacuten adquiere una carga positiva neta n ambos casos se ha con er lido n ion
Un ejemplo un aacutetomo de cloro tiene siete protones Tiene sie te electrones (un espacio vaciacuteo) en el nivel del tershycer orbital que al anz su m aacutexima estabilidad cuando estaacute lleno con ocho Este aacutetomo tiende a atraer un elec troacuten de alguna otra pa rte Con ese electroacuten adiciacuteonal se transshyforma en un ion cloruro (C1-) con una carga negativa ne ta
O tro ejemplo un aacute tomo de sodio tiene 11 proton S y 11 electrones Su segun o nivel orbital es taacute lleno de electroshynes y soacutelo uno se ha ll en el terce r ni vel orbital Es m aacutes faacutecil liberar un electroacuten que obtener siete Cuando el aacute tomo lo hace tod aviacutea le quedan 11 p rotones Pe ro ahora tiene 10 elecl rones Se ha Lransformado en un ion sodio con una carga positiva neta (Na+)
peacuterdida de electrones ganancia de electrone
~-- ( = I I ~ ~ ~
) aacutetomo aacutetomo
de sodio (- iexcl de cloro j 11 p +
17 p + ~ ~
11 e- 17 e -shy
) --
- I I
Iion ~ ion II
I Isodio I cloro
11 p + I ~ J ) 17 p+
10 e 18 eshyshy
Gran des enlaces en las moleacuteculas b ioloacuteg icas
Recllerde qU las cargeacutels opuest se atraen Cuando un ion con carga po itiva se enc uenlra con o tro de carga negashytiva los dos pueden asociarse estrechamente entre siacute El enlace joacutenico es ese tipo de eacutelsociacioacuten Por ejemplo en la fig ura 28a vemos un cristal de sal de mesa NaC En este tipo de cris ta les los en laces ioacutenicos contienen iones de sodio y de cloruro en un arreglo cuacutebico ordenado
ENLACES COVA LE NTE5
En el enlace ioacutenico un aacute tomo que haya perd ido uno (1
maacutes electrones se asocia a otro que haya ganado uno o maacutes iquestQueacute sucede si ambos tienen espacio para otro elecshytroacuten Pued en compa1ti1 uno en un orbital h iacutebrido que incluya los dos nuacutecl eos El espacio libre de cada aacutetomo se ll ena con los electron s compartidos
Cuando los aacute tomos comparten dos electrones se unen en un solo enlace covalente (figura 28b) Est tipo de enshylace es estable y mucho maacutes fu erte que los ioacutenicos
Podemos representar el enlace cova lente en una foacutermushyla estructural que m ues tre la disposicioacuten fiacutesica de los aacutetomiddot m as de una moleacutecula Una liacutenea entre d os aacutetomos represhysenta un pa r de electrones que estaacuten siendo compartidos en un enlace coval nte simple Un ejemplo de este patroacuten es el h idroacutegeno molecular (H2) que tiene un enlace covalente y que puede escribirse como H - I-L Dos aacutetomos comparshyten dos pares de electrones en un enlace covalente do ble
+ Figura 28 iexclAmadol Enlaces impor ta les en las moleacuteculas bioloacuteg icas
24 Unidad I PrincipIOS de la Vldd celular
o Ej mplo de las interacciones consta ntes llamadas enlace iOacutenico En los cristales de la sal ele mesa (NaCI) muchos Iones sodio y Iones cloro se mantienen Juntos por la interaccion mutua de sus cargas opuestas
do un negashysiacute El
en la n este les de
uno o ) uno J elecshyo que mo se
unen ie enshy
oacutermushyiexclS iIacutetoshy
rep reshyios en roacuten es alente mparshydoble
OfCO
)fles
como en el oxiacutegeno molecular (0=0) Otros comparten tres parejas de electrones en un enlace covalente triple como en el nitroacutegeno molecular (Niexcliexcliexcliexcliexcliexcl ) Cada vez que resshypira las moleacuteculas O2 y N 2 fluyen hacia sus pulmones
En un enlace covalente no polar dos aacutetomos comparten el mismo nuacutemero de electrones asiacute que las moleacuteculas no l1luestran diferencia algunCl de carga entre los dos extreshymos del enlace Este tipo de enlaces se encuentran en el hidroacutegeno molecular (H 2) en el oxiacutegeno (02) y en el nitroacuteshygeno (NJ
En un enlace covalente polar dos aacutetomos no comparten el mismo nuacutemero de electrones iquestPor queacute Porque son eleshymentos diferentes y uno tiene maacutes protones que el otro El de maacutes protones ejerce mayor atraccioacuten sobre los electroshynes de manera que su ex tremo del enlace termina con una carga un poco nega tiva Decimos entonces que es elec troshynegativo -1 aacutetomo en el otro extremo del enlace termina con una carga un poco positiva Por ejemplo una moleacutecula de agLla (H-Q-H) tiene dos enlaces covalentes polares El aacutetomo de oxiacutegeno transporta una carga ligeramente negashytiVd y sus dos aacutetomos de hidroacutegeno transportan una carga ligeramente positiva
ENLAC ES DE HIDROacuteG ENO
Un enlilce de hidroacutegeno es una a traccioacuten deacuteb il formada entre un aacutetomo de hidroacutegeno enlazado covalentemente y un aacutetomo electronegativo de una moleacutecula diferente o en otra regioacuten de la misma moleacutecula
Das aacutetomos de hidroacutegeno cada uno con 10 )un protoacute comparten dos electrones en un enlace ~ ~ covalente S I pie no pOlar
hid roacutegeno molec ular (H2
)
H-H
Dos aacutetomos de hidroacutegeno cada uno con ocho protones comparten cuatro electrones en un enlace covalente doble no polar
oxiacutegeno molecu lar (0 2)
0 = 0
El oxiacutegeno tiene espacios vaciacuteos para dos electrones en sus orbitales de nivel maacutes alto de energia Dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir cada mo un electroacuten con ox igeno Los dos enlaces covalentes polares resultantes forman una moleacutecula de agu
o Enlaces covalentes Un aacutetomo se vuelve maacutes estable al compartir ares de electrones en orbitales hlb ridos
agua (H 20)
H-O-H
Como los enlaces de hidroacutegeno son deacutebiles se forman y se deshacen con facilidad Sin embargo en su conjunto muchos contribuyen a las propiedades del agua como veremos en la siguiente seccioacuten
Los enlaces de hidroacutegeno cumplen una importante funshycioacuten en la estructura y funcioacuten de las moleacutec ulas bioloacutegicas A menudo se forman en diversas partes de las moleacuteculas grandes que se han doblado sobre siacute mismas y los contieshynen en determinadas configuraciones Muchos de esos enlaces integran dos cadenas de nucleoacutetidos de ADN En la figura 28 se alude al nuacutemero de interacciones en este aacutecido ribonucleico
Los iones seforman cuando un aacutetomo adquiere una carga neta al ganar o perder electrones Dos iones de carga opuesta se atraen Pueden unirse en un enlace ioacutenico
En un enlace covalente los aacutetomos comparten un par de electrones Cuando los comparten en igual cantidad el enlace seraacute no polar Cuando lo comparten en desigual cantidad el enlace seraacute polar lig eramente positivo en un extremo ligeramente negativo en el otro
En un enlace de hidroacutegeno un aacutetomo de hidroacutegeno enlazado covalentemente atrae a otro peqUElO de carga negativa situado en otra moleacutecu la o en otra regioacuten de la misma moleacutecula
enlace de hidroacutegen o Dos moleacutecu las que interactuacutean deacutebi lmente en un enlace H Ipueden formarlo y moleacutecula _~ mol eacutecula romperlo faacutec ilmente de ag ua de amonio
Enlaces H que ayudan a mantener unida una parte de dos moleacuteculas grandes
Muchos enlaces H se mantienen unidos a lo largo de dos cadenas de ADN Son deacutebiles tomados individualmente pero en forma colechva pueden estabilizar una estructura grande del aacutecido
el Enl ces de hidroacutegeno Pueden formarse en un atomo de hidroacutegeno que ya tenga un enlace covalente en una moleacutecula La pequentildea carga pOSitiva del eacutetomo atrae deacuteb ilmente otro que tenga una pequera carga negativa y que tenga ya un enlace covalente con otra sustancia Como se aprecia eso puede suceder entre uno de los aacutetomos de hidroacutegeno en una moleacutecula de agua y el aacutetomo de nitroacutegeno en una moleacutecula de amoniaco
Capitulo 2 La base qUiacutemic a de la vida 25
11 iquestQueacute sucede cuando un aacutetomo se enlaza a otro
CIlNFX()N Los atomos adquieren comparten y donan electrones Los de GCONtA SECCKlN algunos ltIementos hacen esto mIyfaacuteci lmente otros no lA qlJeacute se an
~debe eso Pora encontrar In resplIestajijese en el nuacutemero y la E
estructllra le los elpcfmnes pn los aacutetomos
fLf CTRONES y LOS IVEL ES DE ENERGiacuteA el cuarto (figura 25) - 1 helio con sus dos electrones no
[ n nuestro mundo la fiacutesica simple explica el movimiento de una manzan ltl que cae de un aacuterbol Los d imin utos elecshytronps pertenecen a un mundo raro donde no se aplicu e a Hsi (l (Si los electrone h l ieran el tamaiiacuteo de u na manshyan el lector seriacutea 5 veces maacutes aacutelto que el ilncho del sisshymiddotem il soJilr) Diversas fuerza producen el movimiento de los -le hones que pueden ir de un lugar a otro sin pilSltl r por en nwd io_
Pod mo calcul ar doacutende se halla l u) elect roacuten aunque no con exr1Ctit ud Lo mejor que p odemos hacer es decir que estaacute en alguacuten lugar den tro de una n ube borrosa de den ide d probabiliacutes tica El sitio o sit ios a donde puede d ishyrigirse dependeraacute de cuaacuten tos otros clcctrone pertenezcan al aacute tomo Los elec trones se disponen en orbi til le- es decir en voluacutemenes de espacio alred dar del nuacutecleo Son posishybles muchos orbitiexcllcs todos ellos con una forma tridimenshysional caracteriacutestica
El aacutetomo tiene el mismo nuacute mero de eleeacuteshytrones qle de protones La mayoriacutea de los Momos ti enen muchos electrones iquest oacutemo estaacuten d isp ues tos dado que los electrone e repelen entre siacute Imagine el aacutetomo como un edificio multiniveles de d partamentos con m u has cuar tos desocupados para alquilarshylos a electrones y con un nuacutecleo en el soacutetano Ca da cuar to es un orbital y se alquila a dos electrones cuando mu cho Un orbital con un electroacuten tiene soacutelo un cuarto desocushypado entonc S otro puede entra r
Cada piso del edificio corresponde a un nivel de energiacutea Hay lill solo cuarto en el prishymer piso (un rbital en el nivel maacutes bajo de energiacutea el maacutes cercano al nuacutecleo) Es el prishymero en ocuparse En el hidroacutegeno ---el aacuteto shymo maacutes simple- un electroacuten solitario ocupa
teTcer n iv 1 de e eTg ia
(segun o pISO)
segundo nivel de energiacutea
(primer piso)
primer nivel de energiacutea
(maacutes cere del sOtana
22 Unldaa I PrincipIOS de la VI a celular
tiene cuartos desocupados en el primer nivel de energiacutea (el maacutes bajo) En los aacutetomos maacutes grand es un mayor llLlmero d el trOlw alquilltl los cuartos del s gundo piso Si este piso se llena maacutes electrones rentaraacuten los cuartos del tercer piso y a iacute sucesivamente Los electrones llenan los orbitales eil niveles siempre maacutes altos de energiacutea
Cuanto m aacutes le jos es teacute un electroacuten del soacutetano (el nuacutecleo) maacutes ene rgiacutea tend raacute Un electron en un cuarto del primer piso no p uede pasar al segundo piso ni al tercero mucho menos al penthollse a menos q ue un aumento repentino de nergiacutea lo ponga ltl 11iacute Supong mas que el electroacuten absorbe su ficiente energiacutea de - digamos- la luz solar pa ra que lo motive a subi r Lo hace Si nada maacutes llena el cuarto de e bao r~pidam nte regre a r eacute l emitiendo maacutes nerg iacutea al hacerlo M s tarde el lector veraacute coacutemo las ceacutelulas
en las plantas en sus ojos aprovechan esa energiacutea
DE LO SAacuteTO MOS A LAS MOLECULAS
n los modelos de capa del aacutetomo las cltlpas anidadlls corresponden a los ni veles de energiacutea Nos ofrecen l l11
med io faacutecil de comp robar los espacios vaciacuteos de electroshynes como en la fi gLlra 26 o olvide que los aacutetomos no son como esos diagril mas planos Las capas no son voluacutemenes tridimensionales del espacio y ciertamente no mu shan los orbi tales de electrones
Los aacutetomos con espacios vaciacuteos en su cubierta maacutes externa tienden a liberar ad quirir o compartir electrones En reil lidad lo que llamamos enlaces quiacutemicos no son sino un caso de aacutetomos que comparten con otro sus elecmiddot trones Un c1tomo rara vez compartiraacute sus electrones SI
carece de espacios vaciacuteos Pero los aacutelamos maacutes comunes en los orga nismos - de oxiacutegeno carbono hidroacutegeno nitroacute shygeno y ceacutellcio- siacute los ti(nen en su nivel maacutes externo de energ iacutea Tienden i1 p ilf ticipltlr en los enl aces
Figura 25 Modelos de los niacuteveles primero segundo y erce del ilicio atoacuteml o de departa ento Ca a modelo es una aproximaciOn tridimensional a un orbital de tectrones Los c son maacutes ntensos en los sitios conde los electrones tienden maacute encontrarse en un momento de erminado Los orbitales maacutes al
el lIucie f-Joseell maacutes energfa y son maacutes complejos
(])
l
C trones no
~ energiacutea (el (or n uacute mero )i o Si este
~s del Icrcer
(IrJi laes en
(el nuacutecleo)
del primer ero m ucho ) repentino
el electroacuten luz solar
laacutes Uena el tiendo maacutes ) las ceacutelulas middotgiacutea
anidadas ofrecen un
de electroshymos no son voluacutemenes ) muestra n
bier ta maacutes
lectrones
os no son o sus elecshy~ c tron s si Jmunes en 2no nitroacuteshy
=xterno de
nda y lercero 10 es una nes Los colores iexcl lienden maacutes a lales maacutes a lejad os
1 l TII ene rgfiexcliexcl 1 L L ]tI el
luz solar I 12HzO + 6C02
602 + C6HJ206 + 6H2O
(X[[) [1 UI II n ( I 1
12 oxigenas 6 carbonos 12 hid roacutegenos 12 oxiacutegenos 12 oxiacutegenos 24 h droacutegenos 6 carbonos
iacute 2 hid roacutegenos 6 oxigenas 6 oxiacutegenos
Una moleacutecula es s implemente dos o maacutes aacutetomos de ele shy una mezcla al introducir azuacutecar en el agua La proporcioacuten
mentos ideacutenticos o dis tintos unidos en un enlace quiacutemico de los elementos puede variar en esta mezcla o en cualshy
Podemos escribir la composicioacuten quiacutemica de una moleacutecula quier otro tipo
mediante una foacutermula la cual usa los siacutembolos de los eleshymentos y los subuacute1dices del nlunero de aacutetomos de los elemenshytos (figura 27) P o r ejemplo una moleacutecula de agua tiene la
Los electrones ocupan orbitales esto es voluacutemenes definidos de foacutermula quiacutemica HzO El subiacutendice indica que hay dos aacutetoshyespacio alrededor del nuacutecleo del aacutetomo Los orbitales sucesivos mos de hidroacutegeno (H) por uno de oxiacutegeno (O) Si tenemos corresponden a niveles de energiacutea wya altura aumenta con la
seis moleacuteculas de agua habriacutea mos escrito 6H20 distancia respecto al nuacutecleo Los compuestos son moleacuteculas que cons tan de dos o
UlO o al maacuteximo dos electrones pueden ocupar cualquiermaacutes elementos distintos en proporciones invariables El
orbital Los aacutetomos con espacios desowpados en los orbitales agua es un ejemplo Todas s us moleacuteculas tienen un aacutetomo de su nivel maacutes alto tienden a interactuar y aformar enlaces de oxiacutegeno unido a dos de hidroacutegeno Las de las nubes del con otros aacutetomos mar de un lago siberiano de los peacuteta los de su tina de
Una molecula consta de dos o maacutes aacutetomos [midas en Ln enlace bantildeo o en cualquier otra parte tienen el doble de aacutetomos quiacutemico En los compuestos los aacutetomos de dos o maacutes elementos de hidroacutegeno que de oxiacutegeno En una mezcla dos o maacutes estaacuten unidos Una mezcla consta de sustancias entremezcladas sustancias se combinan sin enlazarse Por ejemplo hace
Figura 27 Regislro bioqulmico Usamos foacute rmulas al anota r las ecuaciones quiacutemicas que repre sentan reacciones ent re aacuteto os y moleacuteculas Las sustancias pa rticipante s en una reaccioacuten (reactivos) se escribe a la izq ie r a de una ffecha de reaccioacuten y los procl uc tos a la derecha El nuacutemero que precede a la loacuter ula indica cuaacutentas moleacutec ul as (o aacutetomos) e ntran en la reaccioacuten El mismo nuacutemero de aacutetomos que partiCipan ha de quedar a fina l l os atomos se entremezcldn pero nunc desaparecen Cueacuten te los pa ra cerciorarse de que haya escrito correctam nle la ecuac ioacuten
G Tercera capa Corresponde al tercer nivel de energiacutea Co sla de nueve orbilales (un orbital s tres p ycinco d) o sea li ene espacio para 18 eleclrones Osodio tiene un electroacuten en la tercera capa y I ~Ioro siete Ambos cuentan e n esp cios vac ios por lo cual son receptivos a enlace qulmlcos
a Segunda capa Correspo de a l segundo nivel de energla Tiene un orbital s y tres orbitales p esp CIO para un total ele ocho electrones El carbono tiene seis electrones dos en la primera capa y cuatro en la se~un Tiene cuatro e spacios vaciacuteos E oxiacutegeno tiene dos espac iOS vaclos El carbono y 01 oxigeno forman enlaces qulmicos
~
SODIO
l lp f- 110shy
electroacuten
protoacuten
neutroacuten
( I ) I
gt CARBONO OX IGOIO
6p+ 6e- 8p+ 8e
o Primera capa Corresponde al p ri mer nive l de ene gia Tiene un orbi tal (1 s) que puede albergar ( j dos electrones El hidroacutegeno tiene un solo elec troacuten HELIO HIDROacuteGENO en esta capa y lo libera faacuteci lmen e Un aacutetomo de 1p 1e- 2p + 2eshyhelio llene dos electrones (sin espacios vaCiacuteos) y no suele formar parle de los enlac s Quiacutemicos
Figura 26 iexclAnimadal Modelos de caoas que nos ayudan a visualizar los espacios vaclos en los orbitales maacutes externos del aacutetomo Cada circ ulo - capa- representa todos los orb ita les en n nivel rl e energfa Los circulas maacutes gra ndes corresponden a niveles ma al tos de energiacutea Los modelos estaacuten mlly s implificados En una rep re senlacloacuten mas real ista los elec trones apareceriacutean como Ilubes borrosas de denSidad orobabilistica unas 10000 veces maacutes grandes que el n cleo
Capiacutet ulo 2 La base qulmlca de la vid 23
Lo~ electrones de un tipo de atomo mteractuan en forma especiacutefica con los de otros aacutetomos Las interacciones dan origen a propiedades bien diferenoacuteaclC15 de las mohuas 01O091C05
FORMACiOacuteN DE ION ES Y LOS ENLACES IOacuteN ICOS
Un electroacuten -como recordaraacute- ti ne una carga negativa igual a la carga positiva de un protoacuten Cuando un aacutetoshymo contien igual nuacutem ro de electrones que de protones las cargas se equilibran entre iacute y entonces el aacutetom o tiene una carga net de cero CUclndo un aacutetomo gana un electroacuten maacutes adquiere una carga nega tiva neta Cuando pierde un e lEctroacuten adquiere una carga positiva neta n ambos casos se ha con er lido n ion
Un ejemplo un aacutetomo de cloro tiene siete protones Tiene sie te electrones (un espacio vaciacuteo) en el nivel del tershycer orbital que al anz su m aacutexima estabilidad cuando estaacute lleno con ocho Este aacutetomo tiende a atraer un elec troacuten de alguna otra pa rte Con ese electroacuten adiciacuteonal se transshyforma en un ion cloruro (C1-) con una carga negativa ne ta
O tro ejemplo un aacute tomo de sodio tiene 11 proton S y 11 electrones Su segun o nivel orbital es taacute lleno de electroshynes y soacutelo uno se ha ll en el terce r ni vel orbital Es m aacutes faacutecil liberar un electroacuten que obtener siete Cuando el aacute tomo lo hace tod aviacutea le quedan 11 p rotones Pe ro ahora tiene 10 elecl rones Se ha Lransformado en un ion sodio con una carga positiva neta (Na+)
peacuterdida de electrones ganancia de electrone
~-- ( = I I ~ ~ ~
) aacutetomo aacutetomo
de sodio (- iexcl de cloro j 11 p +
17 p + ~ ~
11 e- 17 e -shy
) --
- I I
Iion ~ ion II
I Isodio I cloro
11 p + I ~ J ) 17 p+
10 e 18 eshyshy
Gran des enlaces en las moleacuteculas b ioloacuteg icas
Recllerde qU las cargeacutels opuest se atraen Cuando un ion con carga po itiva se enc uenlra con o tro de carga negashytiva los dos pueden asociarse estrechamente entre siacute El enlace joacutenico es ese tipo de eacutelsociacioacuten Por ejemplo en la fig ura 28a vemos un cristal de sal de mesa NaC En este tipo de cris ta les los en laces ioacutenicos contienen iones de sodio y de cloruro en un arreglo cuacutebico ordenado
ENLACES COVA LE NTE5
En el enlace ioacutenico un aacute tomo que haya perd ido uno (1
maacutes electrones se asocia a otro que haya ganado uno o maacutes iquestQueacute sucede si ambos tienen espacio para otro elecshytroacuten Pued en compa1ti1 uno en un orbital h iacutebrido que incluya los dos nuacutecl eos El espacio libre de cada aacutetomo se ll ena con los electron s compartidos
Cuando los aacute tomos comparten dos electrones se unen en un solo enlace covalente (figura 28b) Est tipo de enshylace es estable y mucho maacutes fu erte que los ioacutenicos
Podemos representar el enlace cova lente en una foacutermushyla estructural que m ues tre la disposicioacuten fiacutesica de los aacutetomiddot m as de una moleacutecula Una liacutenea entre d os aacutetomos represhysenta un pa r de electrones que estaacuten siendo compartidos en un enlace coval nte simple Un ejemplo de este patroacuten es el h idroacutegeno molecular (H2) que tiene un enlace covalente y que puede escribirse como H - I-L Dos aacutetomos comparshyten dos pares de electrones en un enlace covalente do ble
+ Figura 28 iexclAmadol Enlaces impor ta les en las moleacuteculas bioloacuteg icas
24 Unidad I PrincipIOS de la Vldd celular
o Ej mplo de las interacciones consta ntes llamadas enlace iOacutenico En los cristales de la sal ele mesa (NaCI) muchos Iones sodio y Iones cloro se mantienen Juntos por la interaccion mutua de sus cargas opuestas
do un negashysiacute El
en la n este les de
uno o ) uno J elecshyo que mo se
unen ie enshy
oacutermushyiexclS iIacutetoshy
rep reshyios en roacuten es alente mparshydoble
OfCO
)fles
como en el oxiacutegeno molecular (0=0) Otros comparten tres parejas de electrones en un enlace covalente triple como en el nitroacutegeno molecular (Niexcliexcliexcliexcliexcliexcl ) Cada vez que resshypira las moleacuteculas O2 y N 2 fluyen hacia sus pulmones
En un enlace covalente no polar dos aacutetomos comparten el mismo nuacutemero de electrones asiacute que las moleacuteculas no l1luestran diferencia algunCl de carga entre los dos extreshymos del enlace Este tipo de enlaces se encuentran en el hidroacutegeno molecular (H 2) en el oxiacutegeno (02) y en el nitroacuteshygeno (NJ
En un enlace covalente polar dos aacutetomos no comparten el mismo nuacutemero de electrones iquestPor queacute Porque son eleshymentos diferentes y uno tiene maacutes protones que el otro El de maacutes protones ejerce mayor atraccioacuten sobre los electroshynes de manera que su ex tremo del enlace termina con una carga un poco nega tiva Decimos entonces que es elec troshynegativo -1 aacutetomo en el otro extremo del enlace termina con una carga un poco positiva Por ejemplo una moleacutecula de agLla (H-Q-H) tiene dos enlaces covalentes polares El aacutetomo de oxiacutegeno transporta una carga ligeramente negashytiVd y sus dos aacutetomos de hidroacutegeno transportan una carga ligeramente positiva
ENLAC ES DE HIDROacuteG ENO
Un enlilce de hidroacutegeno es una a traccioacuten deacuteb il formada entre un aacutetomo de hidroacutegeno enlazado covalentemente y un aacutetomo electronegativo de una moleacutecula diferente o en otra regioacuten de la misma moleacutecula
Das aacutetomos de hidroacutegeno cada uno con 10 )un protoacute comparten dos electrones en un enlace ~ ~ covalente S I pie no pOlar
hid roacutegeno molec ular (H2
)
H-H
Dos aacutetomos de hidroacutegeno cada uno con ocho protones comparten cuatro electrones en un enlace covalente doble no polar
oxiacutegeno molecu lar (0 2)
0 = 0
El oxiacutegeno tiene espacios vaciacuteos para dos electrones en sus orbitales de nivel maacutes alto de energia Dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir cada mo un electroacuten con ox igeno Los dos enlaces covalentes polares resultantes forman una moleacutecula de agu
o Enlaces covalentes Un aacutetomo se vuelve maacutes estable al compartir ares de electrones en orbitales hlb ridos
agua (H 20)
H-O-H
Como los enlaces de hidroacutegeno son deacutebiles se forman y se deshacen con facilidad Sin embargo en su conjunto muchos contribuyen a las propiedades del agua como veremos en la siguiente seccioacuten
Los enlaces de hidroacutegeno cumplen una importante funshycioacuten en la estructura y funcioacuten de las moleacutec ulas bioloacutegicas A menudo se forman en diversas partes de las moleacuteculas grandes que se han doblado sobre siacute mismas y los contieshynen en determinadas configuraciones Muchos de esos enlaces integran dos cadenas de nucleoacutetidos de ADN En la figura 28 se alude al nuacutemero de interacciones en este aacutecido ribonucleico
Los iones seforman cuando un aacutetomo adquiere una carga neta al ganar o perder electrones Dos iones de carga opuesta se atraen Pueden unirse en un enlace ioacutenico
En un enlace covalente los aacutetomos comparten un par de electrones Cuando los comparten en igual cantidad el enlace seraacute no polar Cuando lo comparten en desigual cantidad el enlace seraacute polar lig eramente positivo en un extremo ligeramente negativo en el otro
En un enlace de hidroacutegeno un aacutetomo de hidroacutegeno enlazado covalentemente atrae a otro peqUElO de carga negativa situado en otra moleacutecu la o en otra regioacuten de la misma moleacutecula
enlace de hidroacutegen o Dos moleacutecu las que interactuacutean deacutebi lmente en un enlace H Ipueden formarlo y moleacutecula _~ mol eacutecula romperlo faacutec ilmente de ag ua de amonio
Enlaces H que ayudan a mantener unida una parte de dos moleacuteculas grandes
Muchos enlaces H se mantienen unidos a lo largo de dos cadenas de ADN Son deacutebiles tomados individualmente pero en forma colechva pueden estabilizar una estructura grande del aacutecido
el Enl ces de hidroacutegeno Pueden formarse en un atomo de hidroacutegeno que ya tenga un enlace covalente en una moleacutecula La pequentildea carga pOSitiva del eacutetomo atrae deacuteb ilmente otro que tenga una pequera carga negativa y que tenga ya un enlace covalente con otra sustancia Como se aprecia eso puede suceder entre uno de los aacutetomos de hidroacutegeno en una moleacutecula de agua y el aacutetomo de nitroacutegeno en una moleacutecula de amoniaco
Capitulo 2 La base qUiacutemic a de la vida 25
l
C trones no
~ energiacutea (el (or n uacute mero )i o Si este
~s del Icrcer
(IrJi laes en
(el nuacutecleo)
del primer ero m ucho ) repentino
el electroacuten luz solar
laacutes Uena el tiendo maacutes ) las ceacutelulas middotgiacutea
anidadas ofrecen un
de electroshymos no son voluacutemenes ) muestra n
bier ta maacutes
lectrones
os no son o sus elecshy~ c tron s si Jmunes en 2no nitroacuteshy
=xterno de
nda y lercero 10 es una nes Los colores iexcl lienden maacutes a lales maacutes a lejad os
1 l TII ene rgfiexcliexcl 1 L L ]tI el
luz solar I 12HzO + 6C02
602 + C6HJ206 + 6H2O
(X[[) [1 UI II n ( I 1
12 oxigenas 6 carbonos 12 hid roacutegenos 12 oxiacutegenos 12 oxiacutegenos 24 h droacutegenos 6 carbonos
iacute 2 hid roacutegenos 6 oxigenas 6 oxiacutegenos
Una moleacutecula es s implemente dos o maacutes aacutetomos de ele shy una mezcla al introducir azuacutecar en el agua La proporcioacuten
mentos ideacutenticos o dis tintos unidos en un enlace quiacutemico de los elementos puede variar en esta mezcla o en cualshy
Podemos escribir la composicioacuten quiacutemica de una moleacutecula quier otro tipo
mediante una foacutermula la cual usa los siacutembolos de los eleshymentos y los subuacute1dices del nlunero de aacutetomos de los elemenshytos (figura 27) P o r ejemplo una moleacutecula de agua tiene la
Los electrones ocupan orbitales esto es voluacutemenes definidos de foacutermula quiacutemica HzO El subiacutendice indica que hay dos aacutetoshyespacio alrededor del nuacutecleo del aacutetomo Los orbitales sucesivos mos de hidroacutegeno (H) por uno de oxiacutegeno (O) Si tenemos corresponden a niveles de energiacutea wya altura aumenta con la
seis moleacuteculas de agua habriacutea mos escrito 6H20 distancia respecto al nuacutecleo Los compuestos son moleacuteculas que cons tan de dos o
UlO o al maacuteximo dos electrones pueden ocupar cualquiermaacutes elementos distintos en proporciones invariables El
orbital Los aacutetomos con espacios desowpados en los orbitales agua es un ejemplo Todas s us moleacuteculas tienen un aacutetomo de su nivel maacutes alto tienden a interactuar y aformar enlaces de oxiacutegeno unido a dos de hidroacutegeno Las de las nubes del con otros aacutetomos mar de un lago siberiano de los peacuteta los de su tina de
Una molecula consta de dos o maacutes aacutetomos [midas en Ln enlace bantildeo o en cualquier otra parte tienen el doble de aacutetomos quiacutemico En los compuestos los aacutetomos de dos o maacutes elementos de hidroacutegeno que de oxiacutegeno En una mezcla dos o maacutes estaacuten unidos Una mezcla consta de sustancias entremezcladas sustancias se combinan sin enlazarse Por ejemplo hace
Figura 27 Regislro bioqulmico Usamos foacute rmulas al anota r las ecuaciones quiacutemicas que repre sentan reacciones ent re aacuteto os y moleacuteculas Las sustancias pa rticipante s en una reaccioacuten (reactivos) se escribe a la izq ie r a de una ffecha de reaccioacuten y los procl uc tos a la derecha El nuacutemero que precede a la loacuter ula indica cuaacutentas moleacutec ul as (o aacutetomos) e ntran en la reaccioacuten El mismo nuacutemero de aacutetomos que partiCipan ha de quedar a fina l l os atomos se entremezcldn pero nunc desaparecen Cueacuten te los pa ra cerciorarse de que haya escrito correctam nle la ecuac ioacuten
G Tercera capa Corresponde al tercer nivel de energiacutea Co sla de nueve orbilales (un orbital s tres p ycinco d) o sea li ene espacio para 18 eleclrones Osodio tiene un electroacuten en la tercera capa y I ~Ioro siete Ambos cuentan e n esp cios vac ios por lo cual son receptivos a enlace qulmlcos
a Segunda capa Correspo de a l segundo nivel de energla Tiene un orbital s y tres orbitales p esp CIO para un total ele ocho electrones El carbono tiene seis electrones dos en la primera capa y cuatro en la se~un Tiene cuatro e spacios vaciacuteos E oxiacutegeno tiene dos espac iOS vaclos El carbono y 01 oxigeno forman enlaces qulmicos
~
SODIO
l lp f- 110shy
electroacuten
protoacuten
neutroacuten
( I ) I
gt CARBONO OX IGOIO
6p+ 6e- 8p+ 8e
o Primera capa Corresponde al p ri mer nive l de ene gia Tiene un orbi tal (1 s) que puede albergar ( j dos electrones El hidroacutegeno tiene un solo elec troacuten HELIO HIDROacuteGENO en esta capa y lo libera faacuteci lmen e Un aacutetomo de 1p 1e- 2p + 2eshyhelio llene dos electrones (sin espacios vaCiacuteos) y no suele formar parle de los enlac s Quiacutemicos
Figura 26 iexclAnimadal Modelos de caoas que nos ayudan a visualizar los espacios vaclos en los orbitales maacutes externos del aacutetomo Cada circ ulo - capa- representa todos los orb ita les en n nivel rl e energfa Los circulas maacutes gra ndes corresponden a niveles ma al tos de energiacutea Los modelos estaacuten mlly s implificados En una rep re senlacloacuten mas real ista los elec trones apareceriacutean como Ilubes borrosas de denSidad orobabilistica unas 10000 veces maacutes grandes que el n cleo
Capiacutet ulo 2 La base qulmlca de la vid 23
Lo~ electrones de un tipo de atomo mteractuan en forma especiacutefica con los de otros aacutetomos Las interacciones dan origen a propiedades bien diferenoacuteaclC15 de las mohuas 01O091C05
FORMACiOacuteN DE ION ES Y LOS ENLACES IOacuteN ICOS
Un electroacuten -como recordaraacute- ti ne una carga negativa igual a la carga positiva de un protoacuten Cuando un aacutetoshymo contien igual nuacutem ro de electrones que de protones las cargas se equilibran entre iacute y entonces el aacutetom o tiene una carga net de cero CUclndo un aacutetomo gana un electroacuten maacutes adquiere una carga nega tiva neta Cuando pierde un e lEctroacuten adquiere una carga positiva neta n ambos casos se ha con er lido n ion
Un ejemplo un aacutetomo de cloro tiene siete protones Tiene sie te electrones (un espacio vaciacuteo) en el nivel del tershycer orbital que al anz su m aacutexima estabilidad cuando estaacute lleno con ocho Este aacutetomo tiende a atraer un elec troacuten de alguna otra pa rte Con ese electroacuten adiciacuteonal se transshyforma en un ion cloruro (C1-) con una carga negativa ne ta
O tro ejemplo un aacute tomo de sodio tiene 11 proton S y 11 electrones Su segun o nivel orbital es taacute lleno de electroshynes y soacutelo uno se ha ll en el terce r ni vel orbital Es m aacutes faacutecil liberar un electroacuten que obtener siete Cuando el aacute tomo lo hace tod aviacutea le quedan 11 p rotones Pe ro ahora tiene 10 elecl rones Se ha Lransformado en un ion sodio con una carga positiva neta (Na+)
peacuterdida de electrones ganancia de electrone
~-- ( = I I ~ ~ ~
) aacutetomo aacutetomo
de sodio (- iexcl de cloro j 11 p +
17 p + ~ ~
11 e- 17 e -shy
) --
- I I
Iion ~ ion II
I Isodio I cloro
11 p + I ~ J ) 17 p+
10 e 18 eshyshy
Gran des enlaces en las moleacuteculas b ioloacuteg icas
Recllerde qU las cargeacutels opuest se atraen Cuando un ion con carga po itiva se enc uenlra con o tro de carga negashytiva los dos pueden asociarse estrechamente entre siacute El enlace joacutenico es ese tipo de eacutelsociacioacuten Por ejemplo en la fig ura 28a vemos un cristal de sal de mesa NaC En este tipo de cris ta les los en laces ioacutenicos contienen iones de sodio y de cloruro en un arreglo cuacutebico ordenado
ENLACES COVA LE NTE5
En el enlace ioacutenico un aacute tomo que haya perd ido uno (1
maacutes electrones se asocia a otro que haya ganado uno o maacutes iquestQueacute sucede si ambos tienen espacio para otro elecshytroacuten Pued en compa1ti1 uno en un orbital h iacutebrido que incluya los dos nuacutecl eos El espacio libre de cada aacutetomo se ll ena con los electron s compartidos
Cuando los aacute tomos comparten dos electrones se unen en un solo enlace covalente (figura 28b) Est tipo de enshylace es estable y mucho maacutes fu erte que los ioacutenicos
Podemos representar el enlace cova lente en una foacutermushyla estructural que m ues tre la disposicioacuten fiacutesica de los aacutetomiddot m as de una moleacutecula Una liacutenea entre d os aacutetomos represhysenta un pa r de electrones que estaacuten siendo compartidos en un enlace coval nte simple Un ejemplo de este patroacuten es el h idroacutegeno molecular (H2) que tiene un enlace covalente y que puede escribirse como H - I-L Dos aacutetomos comparshyten dos pares de electrones en un enlace covalente do ble
+ Figura 28 iexclAmadol Enlaces impor ta les en las moleacuteculas bioloacuteg icas
24 Unidad I PrincipIOS de la Vldd celular
o Ej mplo de las interacciones consta ntes llamadas enlace iOacutenico En los cristales de la sal ele mesa (NaCI) muchos Iones sodio y Iones cloro se mantienen Juntos por la interaccion mutua de sus cargas opuestas
do un negashysiacute El
en la n este les de
uno o ) uno J elecshyo que mo se
unen ie enshy
oacutermushyiexclS iIacutetoshy
rep reshyios en roacuten es alente mparshydoble
OfCO
)fles
como en el oxiacutegeno molecular (0=0) Otros comparten tres parejas de electrones en un enlace covalente triple como en el nitroacutegeno molecular (Niexcliexcliexcliexcliexcliexcl ) Cada vez que resshypira las moleacuteculas O2 y N 2 fluyen hacia sus pulmones
En un enlace covalente no polar dos aacutetomos comparten el mismo nuacutemero de electrones asiacute que las moleacuteculas no l1luestran diferencia algunCl de carga entre los dos extreshymos del enlace Este tipo de enlaces se encuentran en el hidroacutegeno molecular (H 2) en el oxiacutegeno (02) y en el nitroacuteshygeno (NJ
En un enlace covalente polar dos aacutetomos no comparten el mismo nuacutemero de electrones iquestPor queacute Porque son eleshymentos diferentes y uno tiene maacutes protones que el otro El de maacutes protones ejerce mayor atraccioacuten sobre los electroshynes de manera que su ex tremo del enlace termina con una carga un poco nega tiva Decimos entonces que es elec troshynegativo -1 aacutetomo en el otro extremo del enlace termina con una carga un poco positiva Por ejemplo una moleacutecula de agLla (H-Q-H) tiene dos enlaces covalentes polares El aacutetomo de oxiacutegeno transporta una carga ligeramente negashytiVd y sus dos aacutetomos de hidroacutegeno transportan una carga ligeramente positiva
ENLAC ES DE HIDROacuteG ENO
Un enlilce de hidroacutegeno es una a traccioacuten deacuteb il formada entre un aacutetomo de hidroacutegeno enlazado covalentemente y un aacutetomo electronegativo de una moleacutecula diferente o en otra regioacuten de la misma moleacutecula
Das aacutetomos de hidroacutegeno cada uno con 10 )un protoacute comparten dos electrones en un enlace ~ ~ covalente S I pie no pOlar
hid roacutegeno molec ular (H2
)
H-H
Dos aacutetomos de hidroacutegeno cada uno con ocho protones comparten cuatro electrones en un enlace covalente doble no polar
oxiacutegeno molecu lar (0 2)
0 = 0
El oxiacutegeno tiene espacios vaciacuteos para dos electrones en sus orbitales de nivel maacutes alto de energia Dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir cada mo un electroacuten con ox igeno Los dos enlaces covalentes polares resultantes forman una moleacutecula de agu
o Enlaces covalentes Un aacutetomo se vuelve maacutes estable al compartir ares de electrones en orbitales hlb ridos
agua (H 20)
H-O-H
Como los enlaces de hidroacutegeno son deacutebiles se forman y se deshacen con facilidad Sin embargo en su conjunto muchos contribuyen a las propiedades del agua como veremos en la siguiente seccioacuten
Los enlaces de hidroacutegeno cumplen una importante funshycioacuten en la estructura y funcioacuten de las moleacutec ulas bioloacutegicas A menudo se forman en diversas partes de las moleacuteculas grandes que se han doblado sobre siacute mismas y los contieshynen en determinadas configuraciones Muchos de esos enlaces integran dos cadenas de nucleoacutetidos de ADN En la figura 28 se alude al nuacutemero de interacciones en este aacutecido ribonucleico
Los iones seforman cuando un aacutetomo adquiere una carga neta al ganar o perder electrones Dos iones de carga opuesta se atraen Pueden unirse en un enlace ioacutenico
En un enlace covalente los aacutetomos comparten un par de electrones Cuando los comparten en igual cantidad el enlace seraacute no polar Cuando lo comparten en desigual cantidad el enlace seraacute polar lig eramente positivo en un extremo ligeramente negativo en el otro
En un enlace de hidroacutegeno un aacutetomo de hidroacutegeno enlazado covalentemente atrae a otro peqUElO de carga negativa situado en otra moleacutecu la o en otra regioacuten de la misma moleacutecula
enlace de hidroacutegen o Dos moleacutecu las que interactuacutean deacutebi lmente en un enlace H Ipueden formarlo y moleacutecula _~ mol eacutecula romperlo faacutec ilmente de ag ua de amonio
Enlaces H que ayudan a mantener unida una parte de dos moleacuteculas grandes
Muchos enlaces H se mantienen unidos a lo largo de dos cadenas de ADN Son deacutebiles tomados individualmente pero en forma colechva pueden estabilizar una estructura grande del aacutecido
el Enl ces de hidroacutegeno Pueden formarse en un atomo de hidroacutegeno que ya tenga un enlace covalente en una moleacutecula La pequentildea carga pOSitiva del eacutetomo atrae deacuteb ilmente otro que tenga una pequera carga negativa y que tenga ya un enlace covalente con otra sustancia Como se aprecia eso puede suceder entre uno de los aacutetomos de hidroacutegeno en una moleacutecula de agua y el aacutetomo de nitroacutegeno en una moleacutecula de amoniaco
Capitulo 2 La base qUiacutemic a de la vida 25
Lo~ electrones de un tipo de atomo mteractuan en forma especiacutefica con los de otros aacutetomos Las interacciones dan origen a propiedades bien diferenoacuteaclC15 de las mohuas 01O091C05
FORMACiOacuteN DE ION ES Y LOS ENLACES IOacuteN ICOS
Un electroacuten -como recordaraacute- ti ne una carga negativa igual a la carga positiva de un protoacuten Cuando un aacutetoshymo contien igual nuacutem ro de electrones que de protones las cargas se equilibran entre iacute y entonces el aacutetom o tiene una carga net de cero CUclndo un aacutetomo gana un electroacuten maacutes adquiere una carga nega tiva neta Cuando pierde un e lEctroacuten adquiere una carga positiva neta n ambos casos se ha con er lido n ion
Un ejemplo un aacutetomo de cloro tiene siete protones Tiene sie te electrones (un espacio vaciacuteo) en el nivel del tershycer orbital que al anz su m aacutexima estabilidad cuando estaacute lleno con ocho Este aacutetomo tiende a atraer un elec troacuten de alguna otra pa rte Con ese electroacuten adiciacuteonal se transshyforma en un ion cloruro (C1-) con una carga negativa ne ta
O tro ejemplo un aacute tomo de sodio tiene 11 proton S y 11 electrones Su segun o nivel orbital es taacute lleno de electroshynes y soacutelo uno se ha ll en el terce r ni vel orbital Es m aacutes faacutecil liberar un electroacuten que obtener siete Cuando el aacute tomo lo hace tod aviacutea le quedan 11 p rotones Pe ro ahora tiene 10 elecl rones Se ha Lransformado en un ion sodio con una carga positiva neta (Na+)
peacuterdida de electrones ganancia de electrone
~-- ( = I I ~ ~ ~
) aacutetomo aacutetomo
de sodio (- iexcl de cloro j 11 p +
17 p + ~ ~
11 e- 17 e -shy
) --
- I I
Iion ~ ion II
I Isodio I cloro
11 p + I ~ J ) 17 p+
10 e 18 eshyshy
Gran des enlaces en las moleacuteculas b ioloacuteg icas
Recllerde qU las cargeacutels opuest se atraen Cuando un ion con carga po itiva se enc uenlra con o tro de carga negashytiva los dos pueden asociarse estrechamente entre siacute El enlace joacutenico es ese tipo de eacutelsociacioacuten Por ejemplo en la fig ura 28a vemos un cristal de sal de mesa NaC En este tipo de cris ta les los en laces ioacutenicos contienen iones de sodio y de cloruro en un arreglo cuacutebico ordenado
ENLACES COVA LE NTE5
En el enlace ioacutenico un aacute tomo que haya perd ido uno (1
maacutes electrones se asocia a otro que haya ganado uno o maacutes iquestQueacute sucede si ambos tienen espacio para otro elecshytroacuten Pued en compa1ti1 uno en un orbital h iacutebrido que incluya los dos nuacutecl eos El espacio libre de cada aacutetomo se ll ena con los electron s compartidos
Cuando los aacute tomos comparten dos electrones se unen en un solo enlace covalente (figura 28b) Est tipo de enshylace es estable y mucho maacutes fu erte que los ioacutenicos
Podemos representar el enlace cova lente en una foacutermushyla estructural que m ues tre la disposicioacuten fiacutesica de los aacutetomiddot m as de una moleacutecula Una liacutenea entre d os aacutetomos represhysenta un pa r de electrones que estaacuten siendo compartidos en un enlace coval nte simple Un ejemplo de este patroacuten es el h idroacutegeno molecular (H2) que tiene un enlace covalente y que puede escribirse como H - I-L Dos aacutetomos comparshyten dos pares de electrones en un enlace covalente do ble
+ Figura 28 iexclAmadol Enlaces impor ta les en las moleacuteculas bioloacuteg icas
24 Unidad I PrincipIOS de la Vldd celular
o Ej mplo de las interacciones consta ntes llamadas enlace iOacutenico En los cristales de la sal ele mesa (NaCI) muchos Iones sodio y Iones cloro se mantienen Juntos por la interaccion mutua de sus cargas opuestas
do un negashysiacute El
en la n este les de
uno o ) uno J elecshyo que mo se
unen ie enshy
oacutermushyiexclS iIacutetoshy
rep reshyios en roacuten es alente mparshydoble
OfCO
)fles
como en el oxiacutegeno molecular (0=0) Otros comparten tres parejas de electrones en un enlace covalente triple como en el nitroacutegeno molecular (Niexcliexcliexcliexcliexcliexcl ) Cada vez que resshypira las moleacuteculas O2 y N 2 fluyen hacia sus pulmones
En un enlace covalente no polar dos aacutetomos comparten el mismo nuacutemero de electrones asiacute que las moleacuteculas no l1luestran diferencia algunCl de carga entre los dos extreshymos del enlace Este tipo de enlaces se encuentran en el hidroacutegeno molecular (H 2) en el oxiacutegeno (02) y en el nitroacuteshygeno (NJ
En un enlace covalente polar dos aacutetomos no comparten el mismo nuacutemero de electrones iquestPor queacute Porque son eleshymentos diferentes y uno tiene maacutes protones que el otro El de maacutes protones ejerce mayor atraccioacuten sobre los electroshynes de manera que su ex tremo del enlace termina con una carga un poco nega tiva Decimos entonces que es elec troshynegativo -1 aacutetomo en el otro extremo del enlace termina con una carga un poco positiva Por ejemplo una moleacutecula de agLla (H-Q-H) tiene dos enlaces covalentes polares El aacutetomo de oxiacutegeno transporta una carga ligeramente negashytiVd y sus dos aacutetomos de hidroacutegeno transportan una carga ligeramente positiva
ENLAC ES DE HIDROacuteG ENO
Un enlilce de hidroacutegeno es una a traccioacuten deacuteb il formada entre un aacutetomo de hidroacutegeno enlazado covalentemente y un aacutetomo electronegativo de una moleacutecula diferente o en otra regioacuten de la misma moleacutecula
Das aacutetomos de hidroacutegeno cada uno con 10 )un protoacute comparten dos electrones en un enlace ~ ~ covalente S I pie no pOlar
hid roacutegeno molec ular (H2
)
H-H
Dos aacutetomos de hidroacutegeno cada uno con ocho protones comparten cuatro electrones en un enlace covalente doble no polar
oxiacutegeno molecu lar (0 2)
0 = 0
El oxiacutegeno tiene espacios vaciacuteos para dos electrones en sus orbitales de nivel maacutes alto de energia Dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir cada mo un electroacuten con ox igeno Los dos enlaces covalentes polares resultantes forman una moleacutecula de agu
o Enlaces covalentes Un aacutetomo se vuelve maacutes estable al compartir ares de electrones en orbitales hlb ridos
agua (H 20)
H-O-H
Como los enlaces de hidroacutegeno son deacutebiles se forman y se deshacen con facilidad Sin embargo en su conjunto muchos contribuyen a las propiedades del agua como veremos en la siguiente seccioacuten
Los enlaces de hidroacutegeno cumplen una importante funshycioacuten en la estructura y funcioacuten de las moleacutec ulas bioloacutegicas A menudo se forman en diversas partes de las moleacuteculas grandes que se han doblado sobre siacute mismas y los contieshynen en determinadas configuraciones Muchos de esos enlaces integran dos cadenas de nucleoacutetidos de ADN En la figura 28 se alude al nuacutemero de interacciones en este aacutecido ribonucleico
Los iones seforman cuando un aacutetomo adquiere una carga neta al ganar o perder electrones Dos iones de carga opuesta se atraen Pueden unirse en un enlace ioacutenico
En un enlace covalente los aacutetomos comparten un par de electrones Cuando los comparten en igual cantidad el enlace seraacute no polar Cuando lo comparten en desigual cantidad el enlace seraacute polar lig eramente positivo en un extremo ligeramente negativo en el otro
En un enlace de hidroacutegeno un aacutetomo de hidroacutegeno enlazado covalentemente atrae a otro peqUElO de carga negativa situado en otra moleacutecu la o en otra regioacuten de la misma moleacutecula
enlace de hidroacutegen o Dos moleacutecu las que interactuacutean deacutebi lmente en un enlace H Ipueden formarlo y moleacutecula _~ mol eacutecula romperlo faacutec ilmente de ag ua de amonio
Enlaces H que ayudan a mantener unida una parte de dos moleacuteculas grandes
Muchos enlaces H se mantienen unidos a lo largo de dos cadenas de ADN Son deacutebiles tomados individualmente pero en forma colechva pueden estabilizar una estructura grande del aacutecido
el Enl ces de hidroacutegeno Pueden formarse en un atomo de hidroacutegeno que ya tenga un enlace covalente en una moleacutecula La pequentildea carga pOSitiva del eacutetomo atrae deacuteb ilmente otro que tenga una pequera carga negativa y que tenga ya un enlace covalente con otra sustancia Como se aprecia eso puede suceder entre uno de los aacutetomos de hidroacutegeno en una moleacutecula de agua y el aacutetomo de nitroacutegeno en una moleacutecula de amoniaco
Capitulo 2 La base qUiacutemic a de la vida 25
do un negashysiacute El
en la n este les de
uno o ) uno J elecshyo que mo se
unen ie enshy
oacutermushyiexclS iIacutetoshy
rep reshyios en roacuten es alente mparshydoble
OfCO
)fles
como en el oxiacutegeno molecular (0=0) Otros comparten tres parejas de electrones en un enlace covalente triple como en el nitroacutegeno molecular (Niexcliexcliexcliexcliexcliexcl ) Cada vez que resshypira las moleacuteculas O2 y N 2 fluyen hacia sus pulmones
En un enlace covalente no polar dos aacutetomos comparten el mismo nuacutemero de electrones asiacute que las moleacuteculas no l1luestran diferencia algunCl de carga entre los dos extreshymos del enlace Este tipo de enlaces se encuentran en el hidroacutegeno molecular (H 2) en el oxiacutegeno (02) y en el nitroacuteshygeno (NJ
En un enlace covalente polar dos aacutetomos no comparten el mismo nuacutemero de electrones iquestPor queacute Porque son eleshymentos diferentes y uno tiene maacutes protones que el otro El de maacutes protones ejerce mayor atraccioacuten sobre los electroshynes de manera que su ex tremo del enlace termina con una carga un poco nega tiva Decimos entonces que es elec troshynegativo -1 aacutetomo en el otro extremo del enlace termina con una carga un poco positiva Por ejemplo una moleacutecula de agLla (H-Q-H) tiene dos enlaces covalentes polares El aacutetomo de oxiacutegeno transporta una carga ligeramente negashytiVd y sus dos aacutetomos de hidroacutegeno transportan una carga ligeramente positiva
ENLAC ES DE HIDROacuteG ENO
Un enlilce de hidroacutegeno es una a traccioacuten deacuteb il formada entre un aacutetomo de hidroacutegeno enlazado covalentemente y un aacutetomo electronegativo de una moleacutecula diferente o en otra regioacuten de la misma moleacutecula
Das aacutetomos de hidroacutegeno cada uno con 10 )un protoacute comparten dos electrones en un enlace ~ ~ covalente S I pie no pOlar
hid roacutegeno molec ular (H2
)
H-H
Dos aacutetomos de hidroacutegeno cada uno con ocho protones comparten cuatro electrones en un enlace covalente doble no polar
oxiacutegeno molecu lar (0 2)
0 = 0
El oxiacutegeno tiene espacios vaciacuteos para dos electrones en sus orbitales de nivel maacutes alto de energia Dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir cada mo un electroacuten con ox igeno Los dos enlaces covalentes polares resultantes forman una moleacutecula de agu
o Enlaces covalentes Un aacutetomo se vuelve maacutes estable al compartir ares de electrones en orbitales hlb ridos
agua (H 20)
H-O-H
Como los enlaces de hidroacutegeno son deacutebiles se forman y se deshacen con facilidad Sin embargo en su conjunto muchos contribuyen a las propiedades del agua como veremos en la siguiente seccioacuten
Los enlaces de hidroacutegeno cumplen una importante funshycioacuten en la estructura y funcioacuten de las moleacutec ulas bioloacutegicas A menudo se forman en diversas partes de las moleacuteculas grandes que se han doblado sobre siacute mismas y los contieshynen en determinadas configuraciones Muchos de esos enlaces integran dos cadenas de nucleoacutetidos de ADN En la figura 28 se alude al nuacutemero de interacciones en este aacutecido ribonucleico
Los iones seforman cuando un aacutetomo adquiere una carga neta al ganar o perder electrones Dos iones de carga opuesta se atraen Pueden unirse en un enlace ioacutenico
En un enlace covalente los aacutetomos comparten un par de electrones Cuando los comparten en igual cantidad el enlace seraacute no polar Cuando lo comparten en desigual cantidad el enlace seraacute polar lig eramente positivo en un extremo ligeramente negativo en el otro
En un enlace de hidroacutegeno un aacutetomo de hidroacutegeno enlazado covalentemente atrae a otro peqUElO de carga negativa situado en otra moleacutecu la o en otra regioacuten de la misma moleacutecula
enlace de hidroacutegen o Dos moleacutecu las que interactuacutean deacutebi lmente en un enlace H Ipueden formarlo y moleacutecula _~ mol eacutecula romperlo faacutec ilmente de ag ua de amonio
Enlaces H que ayudan a mantener unida una parte de dos moleacuteculas grandes
Muchos enlaces H se mantienen unidos a lo largo de dos cadenas de ADN Son deacutebiles tomados individualmente pero en forma colechva pueden estabilizar una estructura grande del aacutecido
el Enl ces de hidroacutegeno Pueden formarse en un atomo de hidroacutegeno que ya tenga un enlace covalente en una moleacutecula La pequentildea carga pOSitiva del eacutetomo atrae deacuteb ilmente otro que tenga una pequera carga negativa y que tenga ya un enlace covalente con otra sustancia Como se aprecia eso puede suceder entre uno de los aacutetomos de hidroacutegeno en una moleacutecula de agua y el aacutetomo de nitroacutegeno en una moleacutecula de amoniaco
Capitulo 2 La base qUiacutemic a de la vida 25
