Capitulo 2: Estudio de Caso - Aplastados por el Hielo - PDF

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1 Capítulo 2 19 UNIDAD Átomos, moléculas y vida 2 Capítulo Estudio de caso Aplastados por el hielo BASTARON CINCO MINUTOS para que el Endurance desapareciera en las profundidades del mar, pero el capitán no se hundió con su barco ni su tripulación corrió peligro de ahogarse. Observaron desde el hielo, a salvo pero abatidos, donde habían acampado tres semanas antes. Capitaneado por el explorador y aventurero sir Ernest Shackleton, el Endurance y su tripulación de científicos y marinos veteranos habían zarpado de Plymouth, Inglaterra, en agosto de 1914. Su meta: cruzar la Antártica en un trineo de perros vía el polo Sur. Cinco meses después, cuando el barco dejó atrás el mar de Weddell en dirección de su atracadero, un tiempo frío fuera de temporada congeló las aguas que lo rodeaban y, literalmente, atrapó al barco entre el hielo y lo aplastó lentamente. La tripulación pasó a bordo noches en vela mientras rechinaba la madera alrededor de sus literas: crujía, se agrietaba y, a veces, se astillaba. Cuando la presión amenazó con partir las cubiertas bajo los pies de los marineros, Shackleton ordenó a la tripulación que evacuara y que usaran los trineos para acarrear sus provisiones al hielo, donde montaron un campamento. El 21 de noviembre de 1915, el Endurance se movió. La popa se elevó conforme el barco se deslizaba bajo el hielo. Shackleton y su tripulación observaron sobrecogidos desde una distancia prudente. Tuvieron que soportar otros tres meses de frío incesante en el campamento congelado, en espera de que el hielo aflojara La vida de la célula sus tenazas y el mar fuera navegable para los pequeños botes que habían rescatado del barco condenado. El Endurance quedó atrapado y se hundió Las células pueden ser organismos complejos e aplastado por el hielo en expansión que flotaba sobre el mar Antártico. La mayoría de los independientes, como este protista de agua dulce, un ciliado líquidos, incluyendo el agua, se contraen y se del género Vorticella, que consta de un cuerpo celular grande vuelven más densos al enfriarse; pero cuando el agua se congela, sufre una transformación y redondo con una “boca” en la parte superior. De ésta se inusitada que produce un sólido que es proyectan cilios que se agitan y producen corrientes de agua menos denso y que, por tanto, flota en lo que queda líquido. ¿Por qué ocurre esto? ¿Por qué que acarrean alimento (protistas más pequeños y bacterias). el Endurance quedó aplastado por el hielo a su alrededor? ¿Qué influencia tienen las Un tallo retorcido une a la Vorticella con objetos de su medio propiedades peculiares del agua en la vida en la de agua dulce. Cuando la célula siente una perturbación, el Tierra? tallo se contrae rápidamente para alejar al cuerpo celular del peligro. ! El Endurance atrapado en el hielo.  Átomos, moléculas y vida Capítulo 2 21 22 UNIDAD 1 La vida de la célula Tabla 2-1 Elementos comunes de los organismos vivos medio que tiene en cuenta la abundancia relativa de los isótopos De un vistazo de un elemento. Casi todos los isótopos son estables, pero algu- Número Masa % por peso en el nos son radiactivos; es decir, se desintegran espontáneamente, Estudio de caso Aplastados por el hielo Se forman enlaces iónicos entre átomos con carga eléctrica Elemento atómico1 atómica2 cuerpo humano3 forman otros átomos y liberan energía durante el proceso. Los diferente llamados iones Oxígeno (O) 8 16 65 2.1 ¿Qué son los átomos? isótopos radiactivos son herramientas extremadamente útiles Guardián de la salud ¿Es bueno el chocolate para la salud? Carbono (C) 6 12 18.5 Los átomos, las unidades estructurales básicas de los elementos, para estudiar los procesos biológicos (véase el apartado “Investi- Se forman enlaces covalentes entre átomos sin carga que Hidrógeno (H) 1 1 9.5 están compuestos por partículas todavía más pequeñas gación científica: la radiactividad en la investigación”). comparten electrones Nitrógeno (N) 7 14 3.0 Investigación científica La radiactividad en la investigación Los enlaces de hidrógeno son fuerzas de atracción entre Calcio (Ca) 20 40 1.5 Los electrones ocupan regiones específicas llamadas moléculas polares “capas electrónicas” que corresponden a distintos Fósforo (P) 15 31 1.0 2.2 ¿Cómo interactúan los átomos para formar 2.3 ¿Por qué el agua es tan importante para la vida? Potasio (K) 19 39 0.35 niveles de energía moléculas? Las moléculas de agua se atraen entre sí Azufre (S) 16 32 0.25 Como sabrás, por haber experimentado con imanes, los polos Los átomos interactúan con otros átomos cuando hay vacíos iguales se rechazan y los opuestos se atraen. De la misma mane- El agua interactúa con muchas otras moléculas Sodio (Na) 11 23 0.15 en su capa electrónica externa Estudio de caso continuación Aplastados por el hielo Cloro (Cl) 17 35 0.15 ra, los electrones, que tienen carga eléctrica negativa, se repelen y Los radicales libres reaccionan fuertemente y pueden dañar Las soluciones en agua pueden ser ácidas, básicas o neutras Magnesio (Mg) 12 24 0.05 son atraídos por los protones con carga positiva del núcleo. Un las células El agua modera los efectos de los cambios de temperatura Hierro (Fe) 26 56 Trazas átomo con muchos protones en el núcleo necesita muchos elec- Enlaces con la vida diaria Bueno..., ¿qué gas debería usar para inflar mi dirigible o para llenar el tanque de mi Estudio de caso continuación Aplastados por el hielo Flúor (F) 9 19 Trazas trones para compensarlos. Estos electrones orbitan el núcleo ató- automóvil? mico en espacios tridimensionales bien definidos llamados capas El agua forma un sólido singular: el hielo Zinc (Zn) 30 65 Trazas Los enlaces químicos unen a los átomos en moléculas electrónicas. Para simplificar, dibujamos estas capas como anillos Estudio de caso otro vistazo Aplastados por el hielo 1 Número atómico: número de protones en el núcleo atómico. de diámetro creciente alrededor del núcleo (FIGURA 2-2). Cuanto 2 Masa atómica: masa total de protones, neutrones y electrones (insignificante). Las cifras están redondeadas. más lejos esté una capa electrónica del núcleo, mayor es la energía 3 Porcentaje aproximado del elemento, por peso, en el cuerpo humano. de los electrones que la ocupan. Los electrones de un átomo llenan primero la capa más cer- cana al núcleo y luego ocupan capas de niveles superiores. La capa Todos los átomos, salvo el hidrógeno, tienen más de un electrónica más cercana al núcleo atómico sólo puede contener 2.1 ¿QUÉ SON LOS ÁTOMOS? ! ! protón en el núcleo. Pero los protones, como tienen carga po- dos electrones, los cuales llevan la menor energía posible. La primera Si cortas en partes un diamante (una forma de carbono), cada par- sitiva, se repelen unos a otros. ¿Cómo es que se compactan en capa es la única en los átomos de hidrógeno y helio (véase la figura te seguirá siendo carbono. Si pudieras hacer divisiones más y más " el núcleo? La respuesta está en los neutrones, que actúan como 2-1). La segunda capa, correspondiente a un nivel de energía supe- pequeñas de estas partes, al final tendrías un montón de átomos de " " “apaciguadores” entre los protones para que estén unos junto a rior, puede tener hasta ocho electrones. Así, un átomo de carbono carbono tan pequeños, que 100 millones puestos en fila se exten- otros. Los neutrones tienen la misma masa que los protones y con seis electrones tiene dos en la primera capa y cuatro en la segun- derían apenas en un centímetro. todos los átomos, salvo el hidrógeno, tienen neutrones. La masa da (véase la figura 2-2). Observa que los electrones se distribuyen atómica de un elemento (véase el apéndice II) es la masa total de por separado en cuatro regiones conforme llenan una capa exterior; ! Los átomos, las unidades estructurales básicas protones, neutrones y electrones (la masa de los electrones es in- conforme se suman electrones para equilibrar las cargas positivas de de los elementos, están compuestos significante en comparación con la de protones y neutrones). Los núcleos más grandes, los electrones comienzan a formar pares. por partículas todavía más pequeñas átomos del mismo elemento tienen a veces un número diferen- Los núcleos y las capas atómicas cumplen funciones com- ! FIGURA 2-1 Modelos atómicos Representaciones plementarias en los átomos. Los núcleos (suponiendo que no son te de neutrones; cuando esto ocurre, los átomos se llaman isóto- El carbono es un ejemplo de un elemento, una sustancia que no estructurales de los dos átomos más pequeños, (a) hidrógeno y (b) helio. En estos modelos simplificados, los electrones (azul claro) pos de cada uno. La masa atómica de esos elementos es un pro- radiactivos) dan estabilidad, mientras que las capas electrónicas puede separarse en sustancias más simples ni convertirse en otras se representan como planetas en miniatura que recorren órbitas sustancias por medios químicos ordinarios (no podrías modificar específicas alrededor de un núcleo que contiene protones (dorado) elementos en el laboratorio de química de tu escuela). Los elemen- y neutrones (azul oscuro). ! tos, solos o combinados, forman toda la materia. Los átomos son ! ! las unidades estructurales fundamentales de los elementos; cada un número igual de electrones. Cada elemento tiene propieda- ! ! ! átomo conserva todas las propiedades de su elemento. Por su parte, des físicas y químicas exclusivas, basadas en el número y la con- ! los átomos están compuestos de un núcleo central alrededor del figuración de las partículas subatómicas. Por ejemplo, algunos ! ! ! ! cual orbitan electrones (FIGURA 2-1). El núcleo atómico (llamado elementos, como el oxígeno y el hidrógeno, son gases a tempe- simplemente “núcleo”) contiene dos clases de partículas subatómi- ratura ambiental; otros, como el plomo, son sólidos extremada- cas: protones, con carga positiva, y neutrones, sin carga. Los elec- mente densos. Algunos reaccionan fácilmente con otros átomos; " " " " trones en órbita alrededor del núcleo son partículas muy ligeras y otros más permanecen inertes. En la biosfera, casi todos los ele- con carga negativa. En general, los átomos tienen el mismo número mentos aparecen en cantidades pequeñas y pocos son esenciales de electrones y protones, de modo que son eléctricamente neutros. para la vida en la Tierra. En la tabla periódica (apéndice II), los Noventa y dos tipos de átomos se forman de manera natu- elementos se organizan por su número atómico (hileras o fami- ral y componen la unidad estructural de un elemento diferente. lias) y sus propiedades químicas (columnas o periodos). En la El número de protones del núcleo, el número atómico, es la Tabla 2-1 se encuentran los elementos más comunes de los seres característica que define a cada elemento. Por ejemplo, todo áto- vivos. Cuatro elementos: oxígeno, carbono, hidrógeno y nitró- mo de hidrógeno tiene un protón en el núcleo, todo átomo de geno, suman alrededor de 96% del peso del cuerpo humano; carbono tiene seis protones y todo átomo de oxígeno tiene ocho; en el resto de los organismos, el porcentaje es parecido. Por este por tanto, el número atómico de estos átomos es 1, 6 y 8, respec- motivo, estos elementos a veces se llaman los “ladrillos” de la ! FIGURA 2-2 Capas electrónicas de los átomos Casi todos los átomos biológicamente importantes tivamente. Para equilibrar la carga positiva de los protones hay vida en la Tierra. tienen por lo menos dos capas electrónicas. La primera capa, la más cercana al núcleo, puede contener dos electrones. La siguiente contiene un máximo de ocho. Las capas más distantes aceptan más electrones. PREGUNTA ¿Por qué los átomos que reaccionan con otros tienen capas exteriores incompletas?  Átomos, moléculas y vida Capítulo 2 23 24 UNIDAD 1 La vida de la célula Investigación científica La radiactividad en la investigación ¿Cómo saben los biólogos que el ADN es el material genético llegada ligeramente diferentes de las dos emisiones de todas las ! de las células? ¿Cómo miden los paleontólogos la edad de partículas que se desintegran. los fósiles? ¿Cómo saben los botánicos de qué manera A continuación, una potente computadora calcula el lugar del transportan las plantas los azúcares formados en las hojas cerebro en donde ocurrió la desintegración y genera un mapa durante la fotosíntesis a otras partes de su organismo? Estos con un código de color, de la frecuencia de desintegraciones ! ! descubrimientos y muchos más fueron posibles gracias al uso de en un corte transversal (una “rebanada”) del cerebro. Cuanto isótopos radiactivos. Durante la desintegración radiactiva, que más activa está una región cerebral, más glucosa utiliza como es la división espontánea de un isótopo radiactivo, éste emite fuente de energía y más radiactividad se concentra ahí. Por partículas que pueden detectarse con aparatos electrónicos ejemplo, las células tumorales crecen y se dividen rápidamente, " " " sensibles. Un uso de los isótopos radiactivos particularmente y consumen grandes cantidades de glucosa, por ello aparecen fascinante e importante para la medicina es en la tomografía en las exploraciones PET como “zonas calientes” (FIGURA E2-1c). ! FIGURA 2-3 Captura y liberación de energía por emisión de positrones, PET (por sus siglas en inglés, Las regiones normales del cerebro activadas por tareas mentales positron emission tomography) (FIGURA E2-1). En una aplicación específicas (como resolver un problema matemático) también común de exploración PET, se administra a un sujeto glucosa tienen mayores demandas de glucosa que pueden detectarse marcada con un isótopo radiactivo de flúor. Cuando el isótopo con exploraciones PET. Así, los médicos usan esta técnica para 2.2 ¿CÓMO INTERACTÚAN LOS ÁTOMOS químicos estables (como veremos después); en cambio, ciertas se desintregra emite dos ráfagas de energía en direcciones localizar trastornos cerebrales y los investigadores la emplean reacciones que ocurren de forma común en el organismo produ- opuestas. Un anillo de detectores colocado alrededor de la para estudiar cuáles partes del cerebro se activan con diferentes PARA FORMAR MOLÉCULAS? cen moléculas llamadas radicales libres que son muy inestables y cabeza del sujeto capta las emisiones y registra los tiempos de procesos mentales. Los átomos interactúan con otros reactivas. átomos cuando hay vacíos en su capa electrónica externa Los radicales libres reaccionan fuertemente Una molécula consta de dos o más átomos del mismo elemento y pueden dañar las células o de elementos diferentes, que se mantienen unidos por las inte- Algunas reacciones producen moléculas que tienen átomos con racciones de su capa electrónica externa. Una sustancia con mo- uno o más electrones sin par en la última capa. Esta molécula se léculas formadas por diferentes tipos de átomos se llama com- llama radical libre. Los radicales libres, que pueden tener carga puesto. Los átomos operan según dos principios básicos: o no, reaccionan fácilmente con las moléculas cercanas y aceptan o ceden electrones para alcanzar una organización más estable. Un átomo no reacciona con otros si su capa electrónica Pero al aceptar o donar electrones, muchas veces un radical libre externa está completamente llena. Se dice que este átomo es deja un electrón suelto en la molécula que ataca, con lo que se inerte. forma un nuevo radical y se produce una serie de reacciones que Un átomo reacciona con otros si su capa electrónica externa está puede llevar a la destrucción de moléculas biológicas cruciales incompleta. Se dice que el átomo es reactivo. para la vida. Los radicales libres que se forman más a menudo Para demostrar estos principios, tomemos tres átomos en las reacciones biológicas contienen oxígeno. Un ejemplo es el diferentes: helio, hidrógeno y oxígeno (véanse las figuras 2-1 y agua oxigenada (peróxido de hidrógeno, H2O2) que se usa para 2-2). El helio tiene dos protones en el núcleo y dos electrones aclarar el pelo o blanquear los dientes, la cual reacciona con el llenan su última (y única) capa. Como la capa externa está lle- pigmento (melanina) que da color al pelo, de modo que se vuel- na, el helio es inerte. El hidrógeno tiene un protón en el núcleo va incoloro. y un electrón en su única capa, que puede contener dos electro- La radiación (como la del Sol o de los rayos X), los pro- ! FIGURA E2-1 El funcionamiento de la tomografía por emisión de positrones nes. El oxígeno tiene seis electrones en su capa externa, la cual ductos químicos del escape de los automóviles y del humo del puede tener ocho. Los átomos de hidrógeno y oxígeno, que tie- cigarro, lo mismo que metales industriales como el mercurio y nen la capa externa incompleta, son reactivos. Una forma de el plomo pueden entrar en el cuerpo y generar radicales libres. que se estabilicen estos átomos es que reaccionen uno con el Sin embargo, casi todos los radicales libres se generan en reac- otro. Los electrones solos de dos átomos de hidrógeno pueden ciones que son esenciales para la vida porque suministran a las permiten interacciones de atracción, llamadas enlaces químicos, gía como calor o luz, esta energía hace que el electrón salte de llenar la capa externa de un átomo de oxígeno y formar agua células energía y consumen oxígeno. La muerte celular causada con otros átomos. Los núcleos resisten las perturbaciones de las una capa electrónica de poca energía a otra más energética. Poco (H2O; véase la figura 2-6b). De hecho, el hidrógeno reacciona por los radicales libres es parte de varias dolencias humanas, por fuerzas del exterior: las fuentes comunes de energía (como calor, después, el electrón regresa espontáneamente a su capa original y tan vigorosamente con el oxígeno que el transbordador espa- ejemplo enfermedades cardiacas o trastornos del sistema ner- electricidad y luz) apenas los afectan. Como el núcleo de un áto- libera energía, muchas veces en forma de luz (FIGURA 2-3). cial y otros cohetes usan hidrógeno líquido como combustible vioso como la enfermedad de Alzheimer. Al dañar el material mo de carbono es estable, sigue siendo carbono aunque forme Aprovechamos esta propiedad de los electrones todos los para despegar (véase el apartado “Enlaces con la vida diaria: genético, los radicales libres también producen ciertas formas de parte de un diamante, una molécula de dióxido de carbono o un días. Cuando encendemos un foco, la electricidad que fluye por Bueno..., ¿qué gas debería usar para inflar mi dirigible o para cáncer. Muchos científicos piensan que el deterioro gradual del azúcar. Sin embargo, las capas electrónicas son dinámicas, capa- el filamento del foco lo calienta y la energía térmica impulsa a llenar el tanque de mi automóvil?”). cuerpo que ocurre con la edad es resultado, al menos en parte, ces de captar y liberar energía y formar enlaces químicos. los electrones del filamento metálico a una capa de más energía. Un átomo con una capa electrónica externa incompleta de la acumulación de daños de radicales libres por la exposición de Cuando los electrones vuelven a su capa original, emiten en for- puede estabilizarse si pierde electrones (si vacía completamente toda la vida (FIGURA 2-4). Por fortuna, moléculas llamadas La vida depende de la capacidad de los electrones ma de luz la energía que captaron. La vida misma depende de la su capa), los adquiere (la llena completamente) o si los comparte antioxidantes reaccionan con los radicales libres y los vuelven de captar y liberar energía capacidad de los electrones de captar y liberar energía, como se con otro átomo (para que ambos se encuentren como si tuvie- inofensivos. Nuestro cuerpo sintetiza varios antioxidantes y es Como las capas electrónicas corresponden a niveles energéticos, verá en los capítulos 7 y 8, cuando se hable de la fotosíntesis y la ran llena su capa externa). En muchos casos, las reacciones que posible obtener otros de una dieta sana. Las vitaminas E y C son cuando un átomo se excita por medio de alguna forma de ener- respiración celular. llenan o vacían las capas electrónicas externas producen enlaces antioxidantes, así como otros compuestos de frutas y verduras.  Átomos, moléculas y vida Capítulo 2 25 26 UNIDAD 1 La vida de la célula Enlaces con la vida diaria Guardián de la salud ¿Es bueno el chocolate para la salud? Bueno..., ¿qué gas debería usar para inflar mi dirigible o para llenar el tanque Muchas frutas y verduras contienen las vitaminas C y E, así de mi automóvil? como otros antioxidantes. Pero, ¿sabías que el chocolate (FIGURA E2-3) también contiene antioxidantes, así que bien El 6 de mayo de 1937, el dirigible de lujo para pasajeros podría ser un alimento sano? Aunque es extremadamente Hindenburg descendía en Lakehurst, New Jersey, para concluir difícil hacer experimentos controlados sobre los efectos de el viaje que había iniciado tres días antes en Alemania. Cuando los antioxidantes en la alimentación humana, hay evidencias soltó las líneas de amarre, la multitud de periodistas, fotógrafos de que las dietas con abundantes antioxidantes pueden ser y un locutor de radio que se habían reunido para hacer la beneficiosas. Por ejemplo, la baja incidencia de enfermedades crónica del aterrizaje miraron horrorizados la aparición súbita de cardiacas entre los franceses se ha atribuido en parte a los llamas. En 40 segundos, la nave fue consumida completamente antioxidantes del vino, que muchos habitantes de Francia por el fuego (FIGURA E2-2). Murieron 36 personas. consumen regularmente. Además, comen muchas más frutas El Hindenburg estaba lleno de gas hidrógeno (H2). Ya que su y verduras que los estadounidenses. última capa electrónica está incompleta, el gas de hidrógeno Ahora, de forma sorprendente, los investigadores nos H2 reacciona vigorosamente con el oxígeno del aire; en otras han dado una excusa para comer chocolate sin sentirnos palabras, el hidrógeno arde. Por su naturaleza extremadamente culpables. La cocoa (el polvo oscuro y amargo que proviene combustible, es muy peligroso usar el hidrógeno en dirigibles, de las semillas de las vainas del cacao; véase el detalle en la pero puede servir para reemplazar a la gasolina como figura E2-3) contiene grandes concentraciones de flavonoides, combustible para automóviles. La combustión del hidrógeno potentes antioxidantes relacionados químicamente con los sólo genera agua como producto de reacción. En cambio, la antioxidantes del vino. Todavía no se han realizado estudios gasolina está compuesta de cadenas de carbonos unidos al ! FIGURA E2-2 El Hindenburg, repleto de hidrógeno, arde para determinar si comer grandes cantidades de chocolate hidrógeno, por lo que al quemarse, no sólo combina átomos en llamas reduce en efecto el riesgo de cáncer o de enfermedades de oxígeno e hidrógeno para producir agua, sino que también PREGUNTA Llenar el Hindenburg con hidrógeno y no helio lo hizo cardiacas, pero sin duda que no faltarán voluntarios para combina átomos de oxígeno y carbono, lo que produce dióxido elevarse un poco más. Explica por qué. esta investigación. Ten presente que los chocolates más de carbono, del que hoy se sabe es uno de los principales pecaminosamente sabrosos tienen también mucha grasa factores del calentamiento de la atmósfera. eólica y otras formas renovables para producir y distribuir el y azúcar, y que adquirir sobrepeso por comer demasiados ¿Deben los automóviles impulsarse con hidrógeno? Si se hidrógeno, sería un sustituto sostenible y ecológico de la gasolina. contrarrestaría los efectos positivos de la cocoa en polvo. Sin usan combustibles fósiles en etapas de uso intenso de energía Dicho sea de paso, no te preocupes de que los dirigibles embargo, ¡los “chocoadictos” delgados tienen motivos para despreocuparse y disfrutar! ! FIGURA E2-3 Chocolate La cocoa (detalle) proviene de los para generar, comprimir, transportar, guardar y distribuir el que flotan sobre los estadios en encuentros deportivos estallen granos que guardan las vainas del árbol del cacao, que crece en hidrógeno para los vehículos, se frustraría del todo la reducción en llamas, pues son dirigibles modernos, llenos de helio. Ya las regiones tropicales del continente americano. de emisiones de dióxido de carbono, que sería la ventaja de usar que su capa electrónica externa está completa, el helio no hidrógeno. Pero si fuera posible usar fuentes de energía solar, reacciona y no arde. sólo un electrón en su capa externa y el cloro (Cl) tiene siete dio cede un electrón y se convierte en un ión sodio con carga Para conocer otras fuentes de antioxidantes, consulta el apartado en su última capa, con lo que le falta un electrón para llenarla positiva (Na!), mientras que el cloro acepta el electrón y se con- “Guardián de la salud: ¿Es bueno el chocolate para la salud?”, de (FIGURA 2-5a). vierte en un ión cloro con carga negativa (Cl"). la página 26. El sodio puede estabilizarse si cede un electrón de su capa El sodio y el cloro del NaCl se mantienen unidos por en- externa al cloro. Esta reacción también llena la capa externa del laces iónicos: la atracción eléctrica entre iones con carga positiva Los enlaces químicos unen a los átomos cloro. Los átomos que cedieron o aceptaron electrones quedan y negativa (FIGURA 2-5b). Los enlaces iónicos entre iones de so- en moléculas cargados y se llaman iones. Para formar cloruro de sodio, el so- dio y cloro dan por resultado cristales dispuestos en pares orde- Los enlaces químicos, las fuerzas de atracción que mantienen uni- dos a los átomos para formar moléculas, se producen en interac- ciones entre átomos contiguos que ganan, pierden o comparten electrones. Los átomos de cada elemento tienen propiedades de Tabla 2-2 Tipos comunes de enlaces en moléculas biológicas enlace químico en virtud de la configuración de los electrones Tipo Tipo de interacción Ejemplo de su capa externa. Una reacción química es la formación y di- solución de enlaces químicos, por los cuales una sustancia se con- Enlace iónico Se transfiere un electrón, esto crea iones Ocurre entre iones sodio (Na!) y cloro (Cl") en la sal positivo y negativo que se atraen uno al otro de mesa (NaCl) vierte en otra. Hay tres tipos básicos de enlaces químicos: iónicos, covalentes y de hidrógeno (Tabla 2-2). Enlace covalente Se comparten los electrones No polar Se comparten por igual Ocurre entre dos átomos de oxígeno en el gas Se forman enlaces iónicos entre átomos oxígeno (O2) ! FIGURA 2-4 Daño de los radicales libres El envejecimiento con carga eléctrica llamados iones Polar Se comparten desigualmente Ocurre entre los átomos de hidrógeno y oxígeno es resultado, en parte, de la acumulación de daños causados por de la molécula de agua (H2O) Los átomos que tienen casi vacía la capa electrónica externa, así los radicales libres a las moléculas que componen el organismo. Enlace de Un hidrógeno ligeramente positivo de una Ocurre entre moléculas de agua; cargas ligeramente Por ejemplo, la luz solar genera radicales libres en la piel, los cuales como los que la tienen casi llena, se estabilizan si ceden electro- hidrógeno molécula polar atrae el polo ligeramente positivas de átomos de hidrógeno atraen cargas dañan las moléculas que le dan elasticidad y contribuyen a que nos nes (si vacían sus capas más exteriores) o si los acepta (si llenan negativo de una molécula polar cercana ligeramente negativas de átomos de oxígeno en arruguemos con los años. sus capas más exteriores). La formación de la sal de mesa (cloru- moléculas adyacentes PREGUNTA ¿Cómo dañan los radicales libres a las moléculas biológicas? ro de sodio, NaCl) ejemplifica este principio. El sodio (Na) tiene  Átomos, moléculas y vida Capítulo 2 27 28 UNIDAD 1 La vida de la célula Átomo de sodio (neutro) Átomo de cloro (neutro) Casi todas las moléculas biológicas se forman por enlaces covalentes ! ! ! Como las moléculas biológicas deben funcionar en entornos ! ! ! ! acuosos, donde los enlaces iónicos se disocian rápidamente (se ! ! ! ! separan), los átomos de la mayor parte de las moléculas bio- ! ! ! lógicas —como las de proteínas, carbohidratos y lípidos— se ! ! ! ! unen con enlaces covalentes. En la Tabla 2-3 se ejemplifican los 11p" 17p" ! 11n ! ! 18n ! enlaces formados por los átomos más comunes de las moléculas ! ! ! ! biológicas. ! ! El modo en que se compartan los electrones determina Electrón transferido si un enlace covalente es polar o no polar (a) Átomos neutros Los electrones de los enlaces covalentes pueden compartirse equi- tativamente entre dos átomos o bien pasar más tiempo cerca de uno de los dos. Si los electrones se comparten por igual, se trata Ión sodio (") Ión cloro (!) de un enlace covalente no polar. Tomemos al átomo de hidró- ! ! geno, que tiene un protón en el núcleo y un electrón en su capa electrónica (en la cual pueden caber dos electrones). Un átomo de ! ! ! ! ! ! hidrógeno puede volverse razonablemente estable si comparte su ! ! electrón con otro átomo de hidrógeno formando una molécula de ! FIGURA 2-6 En el enlace covalente se comparten electrones (a) En el gas hidrógeno se comparte ! ! ! ! ! ! gas hidrógeno (H2), en la que cada átomo de hidrógeno se com- un electrón de cada átomo de hidrógeno y se forma un enlace covalente no polar. (b) Al oxígeno le faltan dos ! ! porta casi como si tuviera dos electrones en su capa (FIGURA 2-6a). electrones para llenar su capa externa, así que puede formar enlaces covalentes polares con dos átomos de 11p" 17p" 11n Como ambos núcleos de H2 son idénticos, los electrones compar- hidrógeno y crear agua. El oxígeno ejerce sobre los dos electrones una atracción mayor que el hidrógeno, ! ! ! 18n ! ! ! de modo que el “extremo de oxígeno” de la molécula tiene una ligera carga negativa y el “extremo de ! ! tidos pasan el mismo tiempo cerca de cada núcleo; por tanto, la hidrógeno”, una ligera carga positiva. ! ! molécula en conjunto es neutra o sin carga, así como cada extremo, Atracción entre o polo, es también neutro. Otros ejemplos de moléculas no pola- de oxígeno (FIGURA 2-7). Como veremos pronto, los enlaces de tiva. El agua suma de 60 a 90% del peso corporal de la mayoría de cargas opuestas res son el gas oxígeno (O2), el gas nitrógeno (N2), el dióxido de carbono (CO2) y moléculas biológicas como las lípidos (véanse las hidrógeno le confieren al agua propiedades inusitadas que son los organismos. ¿Qué tiene de especial? (b) Iones páginas 43 y 44). esenciales para la vida sobre la Tierra. Por otro lado, algunos pares de átomos forman enlaces co- Las moléculas de agua se atraen entre sí valentes, en los que los electrones compartidos pasan más tiem- Las moléculas de agua se conectan mediante enlaces de hidróge- po cerca de uno de los átomos. Así, el primer átomo adquiere 2.3 ¿POR QUÉ EL AGUA ES TAN IMPORTANTE no. Como en una cuadrilla, ese género de danza en que los baila- una carga ligeramente negativa y el otro una ligeramente positi- PARA LA VIDA? rines cambian continuamente de pareja, y se toman y sueltan de Cl! Na" Cl! va. Esta situación produce un enlace covalente polar (FIGURA Como dijo elocuentemente el naturalista Loren Eiseley: “Si hay las manos, los enlaces de hidrógeno del agua se forman y separan 2-6b). Aunque la molécula en conjunto es eléctricamente neutra, magia en este planeta, está guardada en el agua”. El agua abunda fácilmente y a eso se debe que el agua fluya. La cohesión entre Na" Cl! Na" tiene polos cargados. Por ejemplo, en el agua (H2O) comparten extraordinariamente en la Tierra, tiene propiedades peculiares y es moléculas de agua, causada por los enlaces de hidrógeno, produ- un electrón cada átomo de hidrógeno y un átomo central de oxí- tan esencial para la vida que amerita una consideración especial. Es ce tensión superficial: la resistencia de la superficie del agua a Cl! Na" Cl! geno. Los electrones compartidos pasan mucho más tiempo cerca probable que la vida haya surgido en las aguas de la Tierra primi- romperse. La tensión superficial es capaz de soportar hojas caídas, del átomo de oxígeno que de cualquiera de los átomos de hidró- (c) Compuesto iónico: NaCl geno. Al atraer los electrones, el polo del oxígeno en una molé- ! FIGURA 2-5 Formación de iones y enlaces iónicos (a) cula de agua se vuelve ligeramente negativo y deja cada átomo de El sodio tiene sólo un electrón en su capa externa; el cloro tiene hidrógeno ligeramente positivo (véase la figura 2-6b). El agua es Tabla 2-3 Patrones de enlace de los átomos comunes en moléculas biológicas siete. (b) El sodio se estabiliza si cede un electrón y el cloro, si lo un ejemplo de una molécula polar. acepta. Entonces, el sodio se convierte en un ión de carga positiva Capacidad de la capa Electrones en Número de enlaces covalentes y el cloro en uno de carga negativa. (c) Como las partículas con Átomo electrónica externa la capa externa que suelen formarse Patrones comunes de enlace cargas opuestas se atraen, los iones de sodio y cloro se encuentran Los enlaces de hidrógeno son fuerzas Hidrógeno 2 1 1 H firmemente unidos en un cristal de sal, NaCl. El ordenamiento de los de atracción entre moléculas polares iones de la sal explica que se formen cristales cúbicos. Como sabes, las cargas opuestas de las moléculas polares se atraen. Carbono 8 4 4 C C C C En un enlace de hidrógeno, la atracción se produce entre el hidró- geno ligeramente positivo de una molécula polar y el polo ligera- Nitrógeno 3 8 5 N N N mente negativo de una molécula polar cercana. nados y repetidos de los dos iones (FIGURA 2-5c). Como veremos Se forman moléculas polares cuando átomos de hidrógeno O O después, el agua rompe los enlaces iónicos. Oxígeno 8 6 2 forman enlaces con nitrógeno, oxígeno o flúor. El flúor es raro en las moléculas biológicas, pero son comunes los enlaces de Se forman enlaces covalentes entre átomos O—H y N—H. Las moléculas de agua, carbohidratos , proteínas y Fósforo 8 5 5 P sin carga que comparten electrones ADN son polares y pueden formar enlaces de hidrógeno con otras Un átomo con una capa electrónica externa incompleta puede esta- moléculas polares o con regiones polares diferentes de la misma mo- Azufre 8 6 2 bilizarse si comparte electrones con otro átomo y forma un enlace lécula. Las moléculas de agua forman enlaces de hidrógeno unas S covalente (FIGURA 2-6). con otras entre sus polos positivos de hidrógeno y los negativos  Átomos, moléculas y vida Capítulo 2 29 30 UNIDAD 1 La vida de la célula algunas arañas e insectos acuáticos y aun sostiene la carrera del Las moléculas más grandes con enlaces covalentes no po- lagarto basilisco (FIGURA 2-8a). lares, como grasas y aceites, no se disuelven en agua y, por eso, La cohesión del agua cumple una función crucial en la vida se llaman hidrofóbicas (del griego “que temen al agua”). Sin de las plantas terrestres. ¿Cómo ocurre que el agua absorbida por embargo, el agua tiene un efecto importante en dichas moléculas. las raíces de una planta llegue a las hojas, sobre todo si la planta Cuando las moléculas de aceite se encuentran unas con otras en es una secuoya de 90 metros? (FIGURA 2-8b). Las moléculas de Cl! Na" el agua, sus superficies no polares se unen, rodeadas por molécu- H agua de las plantas llenan conductos diminutos que conectan raí- las de agua que forman enlaces de hidrógeno unas con otras pero ces, tallo y hojas. Las moléculas de agua que se evaporan de las Na" Cl! no con el aceite. Así, las moléculas de aceite se quedan juntas O hojas extraen el agua de estos conductos de manera parecida a H en gotas (FIGURA 2-10). Como el aceite es menos denso que el cuando se tira de una cadena desde lo alto. El sistema funciona Cl! agua, estas gotas flotan. La tendencia de las moléculas de aceite porque los enlaces de hidrógeno que unen a las moléculas de a agruparse en el agua se denomina interacción hidrofóbica. agua son más fuertes que el peso del agua en el tubo y, así, la ca- Como se verá en el capítulo 5, las membranas de las células vivas dena de agua no se rompe. Sin la cohesión del agua, no existirían deben mucho de su estructura a las interacciones hidrofílicas e las plantas terrestres que conocemos y la vida en la Tierra habría Na" hidrofóbicas. evolucionado de otra manera. Además de su función como solvente, el agua participa en El agua también manifiesta adhesión, la tendencia a pe- muchas reacciones químicas que ocurren en las células vivas. Por garse a las superficies que tienen cargas ligeras que atraen a las ejemplo, el oxígeno que liberan las plantas en el aire se forma moléculas polares del agua. Si se toca agua con la punta de un del rompimiento de la molécula de agua durante la fotosíntesis. tubo de vidrio muy estrecho, la adhesión hará que ésta penetre ! FIGURA 2-9 El agua como solvente Cuando un cristal de sal Las reacciones químicas en las células que producen proteínas, una corta distancia del tubo. De manera parecida, la adhesión cae en agua, ésta rodea a los iones de sodio y cloro con polos de sus lípidos o ácidos nucleicos liberan moléculas de agua; en otro tipo moléculas cuyas cargas sean opuestas. Los iones se dispersan pues sirve también en las plantas para que el agua ascienda por los de reacciones llamadas de hidrólisis, al agregar moléculas de agua las moléculas de agua que los rodean los aíslan unos de otros; así, el conductos diminutos de las raíces a las hojas. cristal se disuelve gradualmente. se aprovechan en reacciones que rompen estas moléculas, como se ! FIGURA 2-7 Enlaces de hidrógeno en el agua Las cargas estudiara en capítulos posteriores. parciales en sitios diferentes de las moléculas de agua generan El agua interactúa con muchas otras moléculas fuerzas débiles de atracción llamadas enlaces de hidrógeno (líneas Las soluciones en agua pueden punteadas) entre los átomos de oxígeno e hidrógeno de moléculas Un solvente es una sustancia que disuelve (rodea y dispersa com- con carga negativa atraen a los iones sodio con carga positiva. adyacentes. Según fluye el agua, estos enlaces se separan y se pletamente) otras sustancias. Un solvente que contiene una o más Cuando las moléculas de agua rodean los iones sodio y cloro, ser ácidas, básicas o neutras vuelven a formar constantemente. sustancias disueltas se llama solución. Las moléculas que partici- evitan que interactúen; los iones se separan del cristal y derivan Aunque en general el agua se considera un compuesto estable, tie- pan en las reacciones bioquímicas suelen estar en solución, pues en el agua, es decir, la sal se disuelve (FIGURA 2-9). ne una ligera tendencia a formar espontáneamente iones que, a así se mueven libremente y se encuentran para reaccionar. El agua El agua también disuelve otras moléculas polares porque continuación, vuelven a unirse para formar agua. En todo momen- es un excelente solvente: su naturaleza polar atrae otras moléculas sus polos positivo y negativo atraen los polos de cargas opuestas. ¿Te has preguntado… polares y iones y los rodea. El agua disuelve muchas moléculas que En virtud de su atracción eléctrica por las moléculas del agua, se son importantes para la vida, como proteínas, sales, carbohidratos, dice que iones y moléculas polares son hidrofílicos (del griego por qué duele tanto un “panzazo”? oxígeno y dióxido de carbono. hydro, “agua”, y filo, “atracción”). Muchas moléculas biológicas El golpe de un clavado de “panzazo” da una experiencia de Para ilustrar la función del agua como solvente, vemos son hidrofílicas y se disuelven fácilmente en agua. primera mano del poder de cohesión entre las moléculas de cómo se disuelve la sal de mesa. Un cristal de sal está unido por Gases como el oxígeno y el dióxido de carbono son esencia- agua. Por los enlaces de hidrógeno que unen sus moléculas, las atracciones eléctricas entre los iones sodio con carga positiva les para las reacciones bioquímicas, pero son no polares. ¿Cómo la superficie del agua se resiste a romperse. Si al caer y los iones cloro con carga negativa (véase la figura 2-5c). Si un se disuelven? Estas moléculas son tan pequeñas que caben en los repentinamente ejerces una fuerza sobre las moléculas de agua para que se aparten, el resultado puede ser algo doloroso. cristal de sal se sumerge en agua, los polos de hidrógeno (con car- espacios entre las moléculas de agua sin trastornar sus enlaces de ga positiva) de las moléculas del agua se congregan alrededor de hidrógeno. Los peces que nadan bajo el hielo de un lago congela- los iones cloro, que tienen carga negativa, y los polos de oxígeno do dependen del oxígeno que se disolvió antes de que se formara el hielo y el CO2 que despiden se disuelve en el agua. " FIGURA 2-8 Cohesión entre moléculas de agua (a) Un lagarto aprovecha la tensión superficial del agua para escapar de un depredador. Estudio de caso c o n t i n u a c i ó n (b) La cohesión producida por los enlaces de hidrógeno Aplastados por el hielo permite al agua que se evapora de las hojas de las plantas El agua de mar en que se hundió el Endurance da un ejemplo atraer agua desde las raíces. excelente de la capacidad del agua para disolver otras moléculas. El agua de mar contiene más de 70 elementos, casi todos en trazas. Los elementos disueltos más abundantes son sodio y cloro (NaCl; que constituye cerca de 3.2% del peso del agua marina), y pequeñas cantidades de azufre, calcio, magnesio, potasio y nitrógeno. El agua de mar también contiene gases disueltos, como oxígeno y dióxido de carbono. El oxígeno del agua permite respirar a los animales marinos ! FIGURA 2-10 El agua y el aceite no se mezclan El aceite y el dióxido de carbono facilita la fotosíntesis, lo que genera amarillo que se acaba de verter se eleva a la superficie. El aceite energía para los organismos marinos. flota porque es menos denso que el agua. Además, forma gotas porque es una molécula hidrofóbica no polar, que no es atraída por las moléculas polares del agua.  Átomos, moléculas y vida Capítulo 2 31 32 UNIDAD 1 La vida de la célula to, una pequeña fracción de las moléculas de agua se dividen en ! " las concentraciones de H superan las de OH y la solución que se Un amortiguador mantiene una solución Se necesita mucha energía para calentar el agua iones hidroxilo [OH") y de hidrógeno (H!; FIGURA 2-11). forma es ácida. Muchas sustancias ácidas, como el jugo de limón en un pH relativamente constante La energía necesaria para elevar un grado centígrado un gramo de y el vinagre, saben agrias porque los receptores correspondientes En casi todos los mamíferos, incluyendo los seres humanos, el una sustancia es su calor específico. El agua tiene un calor especí- de la lengua están especializados en responder a un exceso de H!. interior de las células (citoplasma) y los líquidos que bañan las fico muy elevado, lo que significa que se requiere más energía para ! " Las bacterias comunes de la boca forman una capa sobre los dien- células son casi neutros (pH de alrededor de 7.3 a 7.4). Peque- calentar agua que para calentar la misma cantidad de casi todas las " tes, rompen los carbohidratos de la comida atrapada y producen ños aumentos o reducciones del pH causan cambios drásticos demás sustancias. Por ejemplo, la energía necesaria para aumen- ácido láctico. El exceso de H! generado por el ácido disuelve y en la estructura y el funcionamiento de las moléculas biológi- tar un grado centígrado la temperatura de un peso dado de agua erosiona el esmalte dental y origina caries. El jugo de naranja cas y producen la muerte de células o de todo el organismo. Sin elevaría la temperatura de un peso igual de rocas alrededor de 50 y muchas bebidas gaseosas son muy ácidos, pero en general no embargo, las células vivas bullen de reacciones químicas que ce- grados centígrados. ! " se quedan en la boca el tiempo suficiente para dañar los dientes. den o aceptan H!. ¿Cómo, pues, se mantiene constante el pH en En toda temperatura sobre el cero absoluto ("273 °C), los Si la concentración de OH" es mayor que la de H!, la so- lo general? La respuesta está en los numerosos amortiguadores átomos o moléculas de una sustancia están en movimiento cons- ! FIGURA 2-11 Parte del agua se ioniza lución es básica. Una base es una sustancia que se combina con que se encuentran en los organismos vivos. Un amortiguador tante. La energía del calor acelera el movimiento de las molécu- iones hidrógeno y reduce su número. Por ejemplo, si se agrega (buffer) es un compuesto que mantiene una solución en un pH las, pero para incrementar la velocidad de las moléculas de agua hidróxido de sodio (NaOH) al agua, las moléculas de NaOH se constante al aceptar o ceder H! en respuesta a cambios pequeños es necesario romper más rápido sus enlaces de hidrógeno. Debe separan en Na! y OH". Algunos de los iones OH" se combinan de la concentración de H!. Si la concentración de H! aumenta, gastarse una cantidad considerable de energía para romper esos Un ión hidroxilo tiene carga negativa porque aceptó un con H! para producir H2O, lo que disminuye el número de iones los amortiguadores se combinan con éste; si la concentración de enlaces, y esta energía no está disponible para elevar la tempera- electrón del átomo de hidrógeno. Al ceder un electrón, el átomo H! y forma una solución básica. H! baja, los amortiguadores desprenden H!. Así se mantiene la tura del agua. El elevado calor específico del agua permite a los de hidrógeno se convierte en un ión hidrógeno con carga positi- El grado de acidez se expresa en la escala de pH (FIGURA concentración original de H!. Entre los amortiguadores comunes organismos, cuyo cuerpo está formado principalmente por agua, va. El agua pura contiene concentraciones iguales de iones hidró- 2-12) en la que la neutralidad (el mismo número de H! y OH") de los seres vivos se encuentran fosfatos (H2PO4" y HPO42") y el vivir en medios calurosos y soleados sin calentarse excesivamen- geno y iones hidroxilo. está indicada con el número 7. El agua pura, con concentracio- bicarbonato (HCO3"), que aceptan y ceden H!, dependiendo de te. Los bañistas de la FIGURA 2-13a aprovechan esta propiedad Ahora bien, en muchas soluciones las concentraciones de nes iguales de H! y OH", tiene un pH de 7. Los ácidos tienen las circunstancias. El pH de la sangre está regulado con precisión del agua. H! y OH" no son iguales. Si la concentración del H! supera la un pH menor a 7; el pH de las bases es de más de 7. Cada uni- mediante iones bicarbonato. de OH", la solución es ácida. Un ácido es una sustancia que li- dad de la escala del pH representa un cambio de 10 veces en Se necesita mucha energía para evaporar el agua bera iones hidrógeno cuando se disuelve en agua. Por ejemplo, la concentración de H!. Así, un refresco con pH de 3 tiene una El agua modera los efectos de los cambios cuando se agrega ácido clorhídrico (HCl) al agua pura, casi todas concentración de H! 10 mil veces mayor que la del agua, que Los bañistas aprovechan otra propiedad del agua: su elevado calor de temperatura de vaporización. El calor de vaporización es la cantidad de ca- las moléculas del ácido se separan en hidrógeno y Cl". Por tanto, tiene un pH de 7. El cuerpo de los seres humanos y otros organismos no puede so- lor que se necesita para evaporar una sustancia (para que cambie brevivir fuera de ciertos límites de temperatura. Como veremos de líquido a vapor). Se necesita mucha energía térmica (539 calo- en el capítulo 6, las temperaturas elevadas dañan las enzimas rías por gramo) para convertir el agua líquida en vapor de agua. De que favorecen la reacciones químicas esenciales para la vida. Las hecho, el calor de vaporización del agua es uno de los mayores que temperaturas bajas también son peligrosas, puesto que la ac- se conoce. Esto se debe también a la naturaleza polar de las molé- ción de las enzimas disminuye cuando se enfría. Por fortuna, el culas de agua y a los enlaces