Tema 1: Bioelementos (Universidad Europea)

01 Tema 1: Introducción a la Bioquímica. Bioelementos. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 1  Índice 1. Introducción a la Bioquímica....

01 Tema 1: Introducción a la Bioquímica. Bioelementos. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 1  Índice 1. Introducción a la Bioquímica. 1.1 Concepto general de la Bioquímica 1.2 Objetivo en el estudio de la bioquímica 1.3 Niveles de complejidad de los seres vivos 2. Átomo y sus componentes 3. Tabla periódica. 3.1Elementos químicos 3.2 Regla del octeto 3.3 Estructura atómica. Configuración electrónica. Radiactividad. 3.4 Propiedades periódicas. Energía de ionización, Afinidad electrónica, Electronegatividad y carácter metálico 4. Bioelementos 4.1 Propiedades de los bioelementos 4.2 Bioelementos. Átomo de carbono © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 2  1. Introducción a la bioquímica 1.1 Concepto general de la Bioquímica Ciencia interdisciplinar en la que se combinan los principios de la Química y de la Biología para estudiar la composición química de los seres vivos, es decir, la estructura, mecanismos y procesos químicos compartidos por todos los organismos. ÁREAS DE INTERÉS Conjunto de reacciones químicas necesarias para obtener y almacenar energía y para la Estructuras químicas e Metabolismo síntesis de metabolitos interacciones entre biomoléculas Estudio y caracterización de Bioquímica las enzimas que catalizan Estructural Enzimología reacciones químicas en los sistemas biológicos. Genética Molecular Bioenergética Almacenaje y transmisión de Procesos de transducción de información genética energía en los seres vivos. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 3  1. Introducción a la bioquímica 1.2 Objetivo en el estudio de la Bioquímica Conocer los elementos químicos y moléculas que forman parte de la materia viva. La rama de la Bioquímica que se encarga de aglutinar dicho conocimiento se denomina Bioquímica estructural. La vida es consecuencia de las reacciones de los componentes químicos de un ser vivo. Bioelementos -Agua -Gases Inorgánicas -Cationes -Aniones Componentes Biomoléculas -aa (Proteínas) -Lípidos Orgánicas -Glúcidos -Ácidos nucleicos © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 4  1. Introducción a la bioquímica 1.3 Niveles de complejidad de los seres vivos Distinguimos diferentes niveles organizativos dentro de los seres vivos, que van en orden creciente de complejidad. Cada nivel incluye al anterior y posee propiedades únicas que no existían en el anterior. Desde la célula, con una mirada hacia lo macroscópico… NIVEL SISTEMAS NIVEL ORGÁNICO NIVEL TISULAR NIVEL CELULAR La célula es la unidad estructural básica de los seres vivos. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 5  1. Introducción a la bioquímica 1.3 Niveles de complejidad de los seres vivos Distinguimos diferentes niveles organizativos dentro de los seres vivos, que van en orden creciente de complejidad. Cada nivel incluye al anterior y posee propiedades únicas que no existían en el anterior. Desde la célula, con una mirada hacia lo microscópico… NIVEL NIVEL NIVEL NIVEL CELULAR SUPRAMOLECULAR MACROMOLECULAR MOLECULAR NIVEL ATÓMICO Y SUBATÓMIC O Núcleo Corteza © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 6  2. Átomo y sus componentes Conocer el átomo y su estructura es esencial para comprender cómo se organiza la materia en el mundo físico y la naturaleza ya que los átomos se enlazarán a través de distintos enlaces químicos para formar moléculas y compuestos. Los átomos o elementos químicos constituyen la unidad más pequeña de la materia que no puede ser dividida en sustancias más sencillas mediante reacciones químicas. Deriva de la palabra griega “Atomo” que significa “a”=no, “tomo”= cortar. La estructura del átomo puede dividirse en dos partes: e- Corteza: también denominada envoltura electrónica o nube. Se trata de la parte más externa del átomo, en la que orbitan los electrones. Núcleo: parte central de un átomo el cual está constituido por protones y p+ neutrones. La carga del núcleo es positiva y constituye el 99.9% de la masa total del átomo. Electrón: Partícula subatómica de carga negativa localizado en la corteza. n Interviene en las propiedades químicas Protón: Partícula subatómica de carga positiva localizado en el núcleo del átomo. Interviene en las propiedades químicas Neutrón: Partícula subatómica sin carga neta localizado en el núcleo del Neutro átomo. NO Interviene en las propiedades químicas Ø: 100 pm © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 7  3. Tabla periódica 3.1 Elementos químicos En la tabla periódica, los elementos químicos o átomos se organizan en grupos (columnas) y periodos (filas) en base a su: Número atómico número de protones en el núcleo. Configuración electronica número y organización de electrones en capas concéntricas. Los electrones de la capa más externa del átomo (electrones de valencia) Propiedades químicas. 1 6 7 8 Número atómico (Z): (protones) Más ligeros, más fácil de formar enlaces covalentes H C N O Símbolo 1 12 14 16 Masa atómica (A): (protones + neutrones) © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 8  3. Tabla periódica 3.1 Elementos químicos Períodos Grupos Los elementos de la tabla periódica, se encuentran en su estado neutro = electrones valencia Los elementos en el mismo periodo tienen el mismo número de niveles energéticos o capas. Los elementos del mismo grupo tienen la misma configuración electronica en su capa más externa, es decir el mismo número de electrones en su capa de valencia (responsables de los enlaces químicos) y por tanto, presentan propiedades químicas similares. = electrones valencia © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 9  3. Tabla periódica 3.2 Regla del octeto (1916 G. N. Lewis). Los átomos adquieren una estabilidad especial cuando poseen su última capa completa o con ocho electrones. A través de la formación de enlaces covalentes, en los que comparten los pares de electrones, los diferentes átomos adquirieren esa configuración electrónica, que corresponde a la configuración del gas noble más próximo en la tabla periódica. Estructuras de Lewis Representaciones sencillas de la distribución de los electrones de valencia en los átomos que constituyen la molécula. Excepción: La primera capa o nivel energético se completa con sólo 2 electrones (H) © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 10  3. Tabla periódica 3.3 Estructura atómica. Configuración electrónica Define la manera en la cual los electrones se estructuran en un átomo de acuerdo con el modelo de niveles de energía o capas electrónicas. Los electrones que ocupan orbitales específicos tienen asociado un contenido energético concreto. Cuando un átomo se encuentra en su estado fundamental es que sus electrones se encuentran en su nivel energético más bajo. Los electrones de la capa más externa del átomo son los electrones de valencia que participan en la formación de los enlaces y en las reacciones químicas. El número de protones en un elemento químico es fijo y específico para cada elemento químico, pero puede variar su número de neutrones (isótopos) y de electrones (iones: cationes y aniones), cambiando en este caso la carga del átomo. Protón Hidrógeno Ión hidruro © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 11  3. Tabla periódica 3.3 Estructura atómica Microscopio de efecto Túnel En un átomo neutro, que es su estado habitual, el número de electrones es igual al de protones, y como tienen carga eléctrica negativa se compensan. p+ : 6 6 protones C n: 6 neutrones 12 e-: 6 electrones p+ : 8 8 Grafito protones O n: 8 neutrones El microscopio de efecto Túnel (STM- Scanning tunneling 16 e-: 8 microscope) permite obtener imágenes de átomos, mediante una aguja tan afilada (tamaño de la punta es de un átomo) que electrones “siente” la superficie mediante la detección de la corriente eléctrica 'túnel‘ (entre el átomo de la punta y el átomo de la https://www.youtube.com/watch?v=lm9Zr3z3iWA superficie ). Atoms moving on a silicon surface: STM movie © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 12  3. Tabla periódica 3.3 Estructura atómica. Radiactividad Fenómeno natural o artificial, por el cual algunas sustancias o elementos químicos emiten radiación, que puede ser de tres tipos: Alfa: Flujo de partículas cargadas positivamente formadas por 2 protones y 2 neutrones. Cuando un átomo radiactivo emite una partícula alfa, cambian su masa y número atómico, convirtiéndose en un elemento diferente. Poco penetrante. Beta: Resulta de la desintegración de neutrones que se convierten en protones. Cuando un átomo radiactivo emite una partícula beta, no cambia su masa pero cambia su número atómico (+1) se convierte en el elemento inmediatamente superior en la tabla periódica. Penetrante. Gamma: Es un flujo de ondas electromagnéticas de alta energía que se genera cuando un átomo que ha sufrido una desintegración alfa o beta queda con el núcleo excitado y para conseguir su estabilidad se desexcita emitiendo radiación gamma. El átomo que emite esta radiación no varía ni su masa ni su número atómico. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 13  3. Tabla periódica 3.4 Propiedades periódicas Como los elementos están ordenados siguiendo un orden concreto, se puede conocer de manera aproximada algunas propiedades, como: Energía de Ionización Afinidad electrónica Electronegatividad Carácter metálico Estas propiedades dependen de la variación de otros dos factores: Carga nuclear efectiva-en períodos. Radio atómico-en grupos. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 14  3. Tabla periódica 3.4 Propiedades periódicas. Energía de ionización y afinidad electrónica Energía de ionización: energía necesaria que se le debe de administrar a un átomo en estado fundamental y en fase gaseosa para arrancar un electrón de su capa de valencia. Es un proceso endotérmico, es decir, se debe suministrar energía. Tiene valores positivos. Afinidad electrónica: medida de variación de energía que se produce cuando un átomo en estado gaseoso capta un electrón para formar un anión. Es un proceso exotérmico, es decir, se libera energía. Tiene valores negativos. Ambas propiedades se ven afectados por dos parámetros: la carga nuclear efectiva (Zef) y el radio atómico: - + + - + - - + Carga nuclear efectiva (Zef ): fuerza por la que un Radio atómico: distancia media entre electrón externo es atraído por el núcleo dos núcleos de un mismo elemento atómico. Corresponde con la carga positiva neta enlazados entre sí. Distancia del que experimenta un electrón en un átomo núcleo a los electrones de valencia. polielectrónico. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 15  3. Tabla periódica 3.4 Propiedades periódicas. Energía de ionización y afinidad electrónica Energía de ionización: energía necesaria que se le debe de administrar a un átomo en estado fundamental y en fase gaseosa para arrancar un electrón de su capa de valencia. Es un proceso endotérmico, es decir, se debe suministrar energía. Tiene valores positivos. Afinidad electrónica: medida de variación de energía que se produce cuando un átomo en estado gaseoso capta un electrón para formar un anión. Es un proceso exotérmico, es decir, se libera energía. Tiene valores negativos. Ambas propiedades se ven afectados por dos parámetros: la carga nuclear efectiva (Zef) y el radio atómico: - + + - + - - + La variación de la energía de ionización y la afinidad electrónica es mayor cuanto mayor es la variación de Zef: En un período: La Zef aumenta al avanzar hacia la derecha en el grupo. Puesto que la Zef es mayor, los electrones están más fuertemente atraídos hacia el núcleo. Por lo que la EI y AE son mayores. En un grupo: aumenta el radio atómico, por lo que los electrones de la última capa están menos atraídos por el núcleo. Por lo que la EI y AE son menores. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 16  3. Tabla periódica 3.4 Propiedades periódicas. Electronegatividad y carácter metálico Electronegatividad: capacidad de presenta un Carácter metálico: conjunto de propiedades que son normalmente átomo para atraer hacia sí mismo, electrones que asociadas a elementos metálicos: forman parte de un enlace covalente. Poseen carácter reductor - + Baja energía de ionización + Mayor tendencia a perder electrones y formar cationes Valores positivos o pocos negativos de AE - Teniendo en cuenta la electronegatividad, los elementos se dividen En un período: Aumenta al avanzar hacia la en dos grandes grupos: derecha del período. Esto es debido que al aumentar Zef, hay mayor atracción de los electrones hacia el núcleo. Metales No metales En un grupo: Disminuye al bajar en el grupo. Debido que al aumento de radio atómico, provoca que disminuya la atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones externos. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 17  3. Tabla periódica 3.4 Propiedades periódicas. Resumen Electronegatividad Energía de ionización Energía de ionización Afinidad electrónica Electronegatividad Radio atómico Radio atómico Afinidad electrónica © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 18  4. Bioelementos Bioelementos: también llamados elementos biogénicos (de “bio–vida” y “génesis–origen”, es decir, dan lugar a las formas vivas). Son elementos químicos que constituyen las moléculas de los seres vivos o que son necesarios para el metabolismo celular. 3 categorías en función de su abundancia: BIOELEMENTOS PRINCIPALES: Elementos mayoritarios en los lípidos, hidratos de carbono, proteínas y ácidos nucleicos (95%): C, H, O, N , P, S BIOELEMENTOS SECUNDARIOS: (4.5%) Elementos de gran relevancia para la fisiología celular: Mg, Ca, K, Cl, Na… OLIGOELEMENTOS: (0.5%) Necesarios para el funcionamiento de proteínas y enzimas: Fe, Mn, Zn, Cu, Se, Si, Cr, F, I, B… El oxígeno es el bioelemento más abundante en el cuerpo humano ( 60% del peso húmedo del cuerpo humano. 45 Kg de los 70Kg de un individuo referencia) El carbono ( 20% del peso húmedo del cuerpo humano) es el elemento estructural de las biomoléculas. Son todos esenciales © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 19  4. Bioelementos 4.1 Propiedades de los bioelementos 1 6 7 8 H C N O Más ligeros, más fácil de formar enlaces covalentes 1 12 14 16 1. Presentan número atómico bajo, ello implica que los electrones compartidos en el enlace estén cerca del núcleo, lo que da lugar de nuevo a moléculas estables. 2. Forman moléculas polares (al ser elementos muy electronegativos). Estas moléculas polares se caracterizan por ser solubles en agua lo que les confiere una ventaja pues la mayor parte de las reacciones vivas ocurren en disolución acuosa. 3. Capas electrónicas externas incompletas, por lo que forman enlaces covalentes para constituir moléculas estables. 4. En la naturaleza se encuentran formando parte de moléculas sencillas (por ejemplo CO2, H2O, NH3…), por lo que pueden ser incorporados fácilmente por los seres vivos. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 20  4. Bioelementos 4.1 Bioelementos. Átomo de carbono Ciclo del carbono: Hay diferentes reservorios de carbono en la naturaleza, tanto orgánicos como inorgánicos: atmósfera, océanos, rocas, plantas y animales, entre los que se intercambia este elemento. La molécula de CO2 juega un papel muy importante en esta circulación del reservorio de carbono, también en el cuerpo humano. Función estructural del C: La mayoría de las biomoléculas que constituyen los seres vivos tienen una base de carbono. Entre sus propiedades encontramos: Capa de valencia con 4 electrones y capacidad para formar 4 enlaces covalentes. Capacidad de catenación o de enlazarse con otros átomos de carbono en largas cadenas y estructuras. Hibridación sp3 de los orbitales Estereoquímica tetrahédrica o plana en función de si forma enlaces sencillos o dobles/triples. Carbono 14 isótopo radiactivo. Técnica para fechar objetos de entre 1,000 y 20,000 años de antigüedad. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 21  4. Bioelementos 4.1 Bioelementos. Átomo de carbono La alotropía es la propiedad de algunos elementos químicos de existir en dos o más formas estructurales o alótropos. El átomo de C presenta varias formas alotrópicas, las más conocidas el diamante y el grafito. Los fulerenos y los nanotubos han adquirido especial relevancia en la nanotecnología. Una única capa del grafito da lugar al grafeno con propiedades eléctricas, térmicas y físicas de gran interés actual. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 22  Gracias Ve más allá © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados