BIOL 3051 2016

Química inorgánica

Capítulo 2: Base Química de la Vida Dr. Fernando J. Bird-Picó Departamento de Biología Recinto Universitario de Mayagüez

• El conocimiento de la química es esencial para estudiar y entender los procesos de vida en los organismos • Para ello es importante conocer algo sobre la materia, y la química de compuestos inorgánicos

Elementos y compuestos

• Los organismos se componen de materia • Materia: ocupa espacio y tiene masa; esta compuesta de elementos.

Dr. Fernando J. Bird-Picó

• Elemento químico: • Aquella sustancia que no puede ser reducida a otras más simples por reacciones químicas ordinarias sin perder su identidad • Cada elemento tiene su símbolo químico: –C, Ca, Se, Ag, Fe, Mg, Mn, H, O, N

1

BIOL 3051 2016

Table 2.1

• Hay 92 elementos naturales, 25 de los cuales son esenciales para la vida y solamente cuatro (4) forman la mayoría (96%) de la masa corpórea de los organismos: • Oxígeno, carbono, hidrógeno, y nitrógeno • Además de éstos, hay otros elementos como el calcio, fósforo que se encuentran en menor abundancia, y otros solamente como elementos trazas: requeridos en cantidades minúsculas

Fig. 2-4

Ejemplos de funciones que llevan a cabo ciertos elementos en organismos

(a) Deficiencia de Nitrógeno

Dr. Fernando J. Bird-Picó

(b) Deficiencia de Iodo

2

BIOL 3051 2016

• Átomo: • La unidad más pequeña del elemento que retiene sus propiedades químicas

• El átomo se compone de partículas subatómicas: • Protones — con carga positiva • Neutrones — sin cargas • Electrones — con carga negativa y muy pequeños (1/1800 de Prot-Neut)

• Número atómico: Cada elemento posee un número fijo de protones en el núcleo del átomo que establece las propiedades químicas del elemento. • Se encuentra como suscrito al símbolo químico [ 6C ] • La Tabla Periódica ordena los elementos químicos por su número

Figure 2.7

Tabla Periódica (con modelos de Bohr) Hydrogen 1H

Atomic number

2

He Atomic mass

First shell

4.003

Helium 2He

Element symbol Electron distribution diagram

Lithium 3Li

Beryllium 4Be

Boron 5B

Carbon 6C

Nitrogen 7N

Oxygen 8O

Fluorine 9F

Neon 10Ne

Sodium 11Na

Magnesium 12Mg

Aluminum 13Al

Silicon 14Si

Phosphorus 15P

Sulfur 16S

Chlorine 17Cl

Argon 18Ar

Second shell

Third shell

Dr. Fernando J. Bird-Picó

• Masa atómica de un átomo: • Es un número que nos indica cuanta materia contiene el átomo: suma de protones, neutrones y electrones • Se expresa en unidades de masa atómica (uma), conocida también como daltones. • Se encuentra como superescrito al lado del símbolo químico [ 12C ]: verdaderamente es 12.01 • Es cantidad relativa ya que toma en consideración la abundancia en la naturaleza de los isótopos de dicho elemento

3

BIOL 3051 2016

• Isótopos • Aquellas formas variantes de átomos de un mismo elemento • Contienen el mismo número de protones (identidad química no se altera) y electrones, pero diferente número de neutrones (12C, 13C, 14C]

Isótopos del elemento Carbono

• Se les llama radioisótopos • Los radioisótopos son inestables y tienden a destruirse con el tiempo, en isótopos más estables, cambiando identidad química y emitiendo radiación en el proceso • Ej. Protio, deuterio, tritio, uranio, etc.

Isótopos radioactivos (Radioisótopos) • En la investigación biológica, los isótopos radioactivos se utilizan en diferentes aplicaciones: • Calcular edad de fósiles • Rastrear átomos en reacciones químicas de los procesos metabólicos • En el diagnóstico de desórdenes médicos

Dr. Fernando J. Bird-Picó

Tejido canceros o en la garganta

Electrones • Fuera del núcleo atómico • Se mueven en orbitales organizados alrededor del núcleo atómico • Electrones que poseen el mismo nivel de energía configuran una capa electrónica

4

BIOL 3051 2016

Figure 2.6

• Aquellos electrones localizados más lejos del núcleo atómico poseen mayor cantidad de energía que los más cercanos al núcleo. • Los electrones de valencia son aquellos electrones que ocupan la capa de valencia y los responsables de los enlaces con otros átomos para producir moléculas • Los cambios en los niveles de energía en los electrones son importantes en las transferencias energéticas que se llevan a cabo en los organismos

(a) A ball bouncing down a flight of stairs provides an analogy for energy levels of electrons.

Third shell (highest energy level in this model) Second shell (next highest energy level)

First shell (lowest energy level)

Energy absorbed

Energy lost

Atomic nucleus (b)

Orbitales Atómicos

Dr. Fernando J. Bird-Picó

5

BIOL 3051 2016

• El comportamiento químico de un átomo es determinado por el número y distribución de sus electrones de valencia • Cuando un nivel de valencia se encuentra incompleto, el átomo tiende a perder, ganar y/o compartir electrones con otros átomos para formar moléculas o compuestos.

• Un compuesto químico consiste de átomos de dos o más elementos [H2O] • Los átomos se combinan en una taza o razón fija de acuerdo a su capa de valencia • Los átomos de un mismo elemento se pueden unir para formar una molécula [H2, O2]

Figure 2.9-3

Átomos de Hidrógeno (2 H)

+

+

+

+

+

+

• Fórmula química: forma compacta de describir la composición química de una sustancia: • Fórmula simple (símbolo químico y número asociado de los átomos) • Fórmula molecular (espacio ocupado) • Fórmula estructural (demuestra el arreglo físico de los átomos - H-O-H en vez de H-H-O)

Molécula de Hidrógeno (H2)

Dr. Fernando J. Bird-Picó

6

BIOL 3051 2016

Figure 2.10

Name and Molecular Formula

Electron Distribution Diagram

Lewis Dot Structure and Structural Formula

SpaceFilling Model

• Masa molecular

(a) Hydrogen (H2) H

H

(b) Oxygen (O2) O

O

(c) Water (H2O) H

O H

(d) Methane (CH4)

H H

C

H

• La suma de las masas atómicas de los átomos que componen una molécula • Un mol es el equivalente en gramos al peso molecular de la molécula en cuestión (Glucosa: C6H12O6 - ¿?) • Número de Avogrado: 6.02 x 1023 • La medida del mol nos permite comparar átomos y moléculas de masas muy dispares.

H

• Enlaces químicos • Fuerzas de atracción que mantienen los átomos de un compuesto unidos entre sí • Hay dos tipos principales de enlaces químicos: – Enlaces covalentes – Enlaces iónicos

• Energía de enlace: • La energía necesaria para romper un enlace químico

Dr. Fernando J. Bird-Picó

• Enlaces covalentes • Comparten electrones entre átomos • Cada átomo ha satisfecho su capa de valencia en el proceso

• Compuesto covalente • Aquel compuesto que consiste principalmente de enlaces covalentes –Ej: H2

• El enlace puede ser sencillo, doble, o triple

7

BIOL 3051 2016

Enlaces Covalentes: comparten e-

Los enlaces covalentes pueden ser polares o nó polares [H2O, H2]

Número de enlaces covalentes que pueden formar algunos átomos

Electronegatividad: medida de la fuerza de atracción que ejerce el átomo sobre los e- en los enlaces químicos • Si la electronegatividad es igual en ambos átomos, la forma de la molécula se mantiene simétrica en cuanto a orbitales de e- se refiere. Ejemplo: H2 • Si no es igual, entonces el átomo más electronegativo tiende a halar los e- del menos electronegativo y crea carga parcialmente + en éste último

Dr. Fernando J. Bird-Picó

8

BIOL 3051 2016

Figure 2.14

δ−

δ+

Water (H2O)

δ+ Hydrogen bond

δ− Ammonia (NH3) δ+

δ+

Forma y Función Molecular

• La forma de una molécula usualmente es muy importante a la función que ejerce • La forma de una molécula esta determinada por la posición de sus orbitales de valencia • En un enlace covalente, los orbitales s y p pueden hibridarse, creando formas moleculares específicas

δ+

Figure 2.15

s orbital

z

Three p orbitals

Four hybrid orbitals

x

y Tetrahedron (a) Hybridization of orbitals Space-Filling Model

Ball-and-Stick Model

Geometría molecular O H

H

104.5°

Hybrid-Orbital Model (with ball-and-stick model superimposed) Unbonded electron pair

O

H

H

Water (H2O) H

H

C H

C H

H

H

H H

• Las moléculas biológicas se reconocen e interaccionan entre sí de forma específica sobre la base de su forma molecular • Moléculas con formas similares pueden tener efectos biológicos similares

Methane (CH4) (b) Molecular-shape models

Dr. Fernando J. Bird-Picó

9

BIOL 3051 2016

Figure 2.16

Natural endorphin

Key Carbon Hydrogen

Nitrogen Sulfur Oxygen

Morphine

(a) Structures of endorphin and morphine Natural endorphin

Brain cell

Morphine

Endorphin receptors

(b) Binding to endorphin receptors

• Ión • Aquella partícula que posee una o más unidades de carga eléctrica • Es el resultado de la pérdida o ganancia de electrones en los átomos –Cationes — iones con carga positiva –Aniones — iones con carga negativa

• Los cationes y aniones están envueltos y son importantes en procesos biológicos, como la contracción muscular, transmisión del impulso nervioso, etc.

© 2014 Pearson Education, Inc.

Los iones de sodio, potasio y cloruro son esenciales para la estimulación nerviosa de esta fibra muscular

• Enlaces iónicos: • Formados por la atracción entre cationes y aniones • Un compuesto iónico es una sustancia que consiste de cationes y aniones enlazados entre sí –Ej. Na+ y Cl-

Dr. Fernando J. Bird-Picó

10

BIOL 3051 2016

Fig. 2-14-2

Hidratación

Enlace Iónico

Na

Na Átomo de Sodio

Cl

Cl Átomo de cloruro

Na

Na+ Ión de sodio (catión)

Cl

Cl– Ión cloruro (anión)

Cloruro de Sodio (NaCl)

• NaCl verdaderamente no es una molécula; en su forma cristalina cada átomo de sodio (Na) está rodeado de seis átomos de cloruro (Cl) aunque la razón es de 1:1

Fig. 2-16

• Enlaces de hidrógeno: • Tendencia a formarse entre un átomo con carga parcial negativa y un hidrógeno unido covalentemente a un átomo de oxígeno o nitrógeno • Se forman y rompen con facilidad • Cada uno de ellos es débil, pero cuando hay miles de ellos actuando a la vez resultan ser fuertes y estables.

δ−

δ+

Agua (H2O)

δ+ Enlace de Hidrógeno

δ− Amonia (NH3) δ+

δ+ δ+

Dr. Fernando J. Bird-Picó

11

BIOL 3051 2016

Otras interacciones entre átomos • Fuerzas de van der Waals: cuando las moléculas se encuentran cercanas unas a otras, se atraen debido a interacciones de nubes de e• Interacciones hidrofóbicas: entre grupos de moléculas no polares= estas moléculas se agrupan entre sí y son insolubles en agua. Los enlaces de H del agua actúan entre sí y “arrinconan” a estas moléculas no polares. Ejemplo: aceite y agua

Las reacciones químicas en organismos: • • • •

Se describen por ecuaciones químicas Los reactivos se escriben a la izquierda Los productos se escriben a la derecha Las reacciones pueden proceder de forma simultánea en ambas direcciones • En un equilibrio dinámico, las tasas de reacción en ambas direcciones es igual

RedOx • Muchas de las transformaciones de energía en las células envuelven la transferencia de electrones de una sustancia a otra (respiración celular, fotosíntesis, etc.) • Estas reacciones se les conocen como oxidación-reducción, o simplemente reacciones redox • 6 CO2 + 6 H20 → C6H12O6 + 6 O2

Dr. Fernando J. Bird-Picó

• Oxidación: proceso químico en el cual un átomo, ión o molécula pierde o dona e• Reducción: proceso químico en el cual un átomo, ión o molécula gana o acepta e• Ambos procesos pueden ocurrir simultáneamente

12

BIOL 3051 2016

• Enmohecimiento: • 4 Fe + 3 O2 4 Fe3+ + 6O2• Los e- no se remueven fácilmente de los compuestos covalentes, a menos que se remueva el átomo por completo –Oxidación en las células: remueve H, átomo del compuesto –Reducción en las células: acepta H, átomos del compuesto

Dr. Fernando J. Bird-Picó

13