2.1: Materia

Átomos, moléculas y compuestos

En su nivel más fundamental, la vida está hecha de materia. La materia es algo que ocupa espacio y tiene masa. Toda la materia está compuesta por elementos, sustancias que no pueden descomponerse ni transformarse químicamente en otras sustancias. Cada elemento está hecho de átomos, cada uno con un número constante de protones y propiedades únicas. Se han definido un total de 118 elementos; sin embargo, solo 92 ocurren de forma natural y menos de 30 se encuentran en células vivas. Los 26 elementos restantes son inestables y por lo tanto no existen por mucho tiempo o son teóricos y aún no se han detectado. Cada elemento es designado por su símbolo químico (como H, N, O, C y Na), y posee propiedades únicas. Estas propiedades únicas permiten que los elementos se combinen y se unan entre sí de maneras específicas.

Un átomo es el componente más pequeño de un elemento que conserva todas las propiedades químicas de ese elemento. Por ejemplo, un átomo de hidrógeno tiene todas las propiedades del elemento hidrógeno, tal como existe como un gas a temperatura ambiente y se une con el oxígeno para crear una molécula de agua. Los átomos de hidrógeno no se pueden descomponer en nada más pequeño sin dejar de conservar las propiedades del hidrógeno. Si un átomo de hidrógeno se descomponía en partículas subatómicas, ya no tendría las propiedades del hidrógeno. En el nivel más básico, todos los organismos están hechos de una combinación de elementos. Contienen átomos que se combinan para formar moléculas. En organismos multicelulares, como los animales, las moléculas pueden interactuar para formar células que se combinan para formar tejidos, que conforman órganos. Estas combinaciones continúan hasta que se forman organismos multicelulares enteros.

Toda la materia, ya sea una roca o un organismo, está hecha de átomos. A menudo, estos átomos se combinan para formar moléculas. Las moléculas son sustancias químicas hechas de dos o más átomos unidos entre sí. Algunas moléculas son muy simples, como el O2, que se compone de solo dos átomos de oxígeno. Algunas moléculas utilizadas por los organismos, como el ADN, están hechas de muchos millones de átomos. Todos los átomos contienen protones, electrones y neutrones (Figura\(\PageIndex{1}\) abajo). La única excepción es el hidrógeno (H), que está hecho de un protón y un electrón. Un protón es una partícula cargada positivamente que reside en el núcleo (el núcleo del átomo) de un átomo y tiene una masa de 1 y una carga de +1. Un electrón es una partícula cargada negativamente que viaja en el espacio alrededor del núcleo. En otras palabras, reside fuera del núcleo. Tiene una masa insignificante y tiene una carga de —1. Los neutrones, al igual que los protones, residen en el núcleo de un átomo. Tienen una masa de 1 y sin cargo. Las cargas positivas (protones) y negativas (electrones) se equilibran entre sí en un átomo neutro, que tiene una carga neta cero.

Figura\(\PageIndex{1}\). Los átomos están compuestos por protones y neutrones ubicados dentro del núcleo, y electrones que rodean el núcleo. El núcleo de un átomo no debe confundirse con el núcleo de una célula.

Cada elemento contiene un número diferente de protones y neutrones, dándole su propio número atómico y número másico. El número atómico de un elemento es igual al número de protones que contiene ese elemento. El número de masa es el número de protones más el número de neutrones de ese elemento. Por lo tanto, es posible determinar el número de neutrones restando el número atómico del número másico.

Los isótopos son diferentes formas del mismo elemento que tienen el mismo número de protones, pero un número diferente de neutrones. Algunos elementos, como el carbono, el potasio y el uranio, tienen isótopos naturales. El carbono 12, el isótopo más común del carbono, contiene seis protones y seis neutrones. Por lo tanto, tiene un número de masa de 12 (seis protones y seis neutrones) y un número atómico de 6 (lo que lo convierte en carbono). El carbono 14 contiene seis protones y ocho neutrones. Por lo tanto, tiene un número de masa de 14 (seis protones y ocho neutrones) y un número atómico de 6, lo que significa que sigue siendo el elemento carbono. Estas dos formas alternas de carbono son isótopos. Algunos isótopos son inestables y perderán protones, otras partículas subatómicas o energía para formar elementos más estables. Estos se denominan isótopos radiactivos o radioisótopos.

EVOLUCIÓN EN ACCIÓN: Datación

El carbono-14 (14C) es un radioisótopo natural que es creado en la atmósfera por los rayos cósmicos. Este es un proceso continuo, por lo que siempre se está creando más 14C. A medida que se desarrolla un organismo vivo, el nivel relativo de 14C en su cuerpo es igual a la concentración de 14C en la atmósfera. Cuando un organismo muere, ya no está ingiriendo 14C, por lo que la proporción disminuirá. 14C decae a 14N por un proceso llamado decaimiento beta; emite energía en este lento proceso. Después de aproximadamente 5,730 años, sólo la mitad de la concentración inicial de 14C habrá sido convertida a 14N. El tiempo que tarda la mitad de la concentración original de un isótopo en descomponerse a su forma más estable se llama su vida media.

Debido a que la vida media del 14C es larga, se utiliza para envejecer objetos anteriormente vivos, como los fósiles. Utilizando la relación entre la concentración de 14C encontrada en un objeto y la cantidad de 14C detectada en la atmósfera, se puede determinar la cantidad del isótopo que aún no se ha descompuesto. Con base en esta cantidad, la edad del fósil se puede calcular en aproximadamente 50,000 años (Figura\(\PageIndex{2}\) a continuación). Los isótopos con vidas medias más largas, como el potasio-40, se utilizan para calcular las edades de los fósiles más antiguos. Mediante el uso de la datación por carbono, los científicos pueden reconstruir la ecología y biogeografía de organismos que viven en los últimos 50,000 años.

Figura\(\PageIndex{2}\). La edad de los restos que contienen carbono y tienen menos de aproximadamente 50,000 años, como este mamut pigmeo, se puede determinar utilizando la datación por carbono. (crédito: Bill Faulkner/ NPS)

Bonos Químicos

La forma en que los elementos interactúan entre sí depende del número de electrones y de cómo están dispuestos. Cuando un átomo no contiene igual número de protones y electrones se le llama ion. Debido a que el número de electrones no es igual al número de protones, cada ion tiene una carga neta. Por ejemplo, si el sodio pierde un electrón, ahora tiene 11 protones y sólo 10 electrones, dejándolo con una carga general de +1. Los iones positivos se forman al perder electrones y se llaman cationes. Los iones negativos se forman ganando electrones y se llaman aniones. Los nombres aniónicos elementales se cambian para terminar en -ide. Como ejemplo, cuando el cloro se convierte en un ion se le conoce como cloruro.

Los enlaces iónicos y covalentes son fuertes enlaces formados entre dos átomos. Estos enlaces mantienen unidos a los átomos en un estado relativamente estable. Los enlaces iónicos se forman entre dos iones cargados opositivamente (un anión y un catión). Debido a que las cargas positivas y negativas se atraen, estos iones se mantienen unidos al igual que dos imanes con carga opuesta se pegarían juntos. Los enlaces covalentes se forman cuando los electrones se comparten entre dos átomos. Cada átomo comparte uno de sus electrones, que luego orbita los núcleos de ambos átomos, manteniendo los dos átomos juntos. Los enlaces covalentes son la forma más fuerte y común de enlace químico en los organismos. A diferencia de la mayoría de los enlaces iónicos, los enlaces covalentes no se disocian en agua.

Los enlaces covalentes vienen en dos variedades: polar y no polar. Un enlace covalente no polar ocurre cuando los electrones se comparten por igual entre los dos átomos. Los enlaces covalentes polares se forman cuando los electrones se comparten de manera desigual. ¿Por qué ocurre esto? Cada elemento tiene una electronegatividad conocida: una medida de su afinidad por los electrones. Algunos elementos, como el oxígeno, son muy electronegativos porque atraen fuertemente electrones de otros átomos. El hidrógeno, por su parte, tiene baja electronegatividad y así atrae débilmente electrones, en comparación. Los enlaces covalentes polares se forman cuando los dos átomos involucrados tienen electronegatividades significativamente diferentes. En los sistemas biológicos, esto ocurre cuando el oxígeno se une con el hidrógeno y cuando el nitrógeno (también bastante electronegativo) se une con el hidrógeno.

Cuando el oxígeno y el hidrógeno se unen, por ejemplo, los electrones compartidos son arrastrados más fuertemente hacia el oxígeno y, por lo tanto, más lejos del núcleo del hidrógeno. Debido a que los electrones se alejan más del hidrógeno, éste se vuelve ligeramente cargado positivamente (δ+). El oxígeno se carga ligeramente negativamente a medida que los electrones se acercan a él (δ—). Si dos moléculas con enlaces covalentes polares se acercan entre sí, pueden interactuar debido a la atracción de cargas eléctricas opuestas. Por ejemplo, la ligera carga positiva de hidrógeno en una molécula de agua puede ser atraída por la ligera carga negativa de oxígeno en una molécula de agua diferente (Figura\(\PageIndex{3}\)). Esta interacción entre dos moléculas polares se denomina enlace de hidrógeno. Este tipo de enlace es muy común en los organismos. Notablemente, los enlaces de hidrógeno le dan al agua las propiedades únicas que sostienen la vida. Si no fuera por enlaces de hidrógeno, el agua sería un gas en lugar de un líquido a temperatura ambiente.

Figura\(\PageIndex{3}\). Los enlaces de hidrógeno se forman entre cargas ligeramente positivas (δ+) y ligeramente negativas (δ—) de moléculas covalentes polares, como el agua.

EL AGUA ES CRUCIAL PARA MANTENER LA VIDA

¿Alguna vez te has preguntado por qué los científicos pasan tiempo buscando agua en otros planetas? Es porque el agua es esencial para la vida; incluso las huellas diminutas de ella en otro planeta pueden indicar que la vida podría o existió en ese planeta. El agua es una de las moléculas más abundantes en las células vivas y la más crítica para la vida tal como la conocemos. Aproximadamente el 60—70 por ciento de tu cuerpo está compuesto por agua. Sin ella, la vida simplemente no existiría.

• El agua es polar. Los átomos de hidrógeno y oxígeno dentro de las moléculas de agua forman enlaces covalentes polares. Los electrones compartidos pasan más tiempo asociados con el átomo de oxígeno que con los átomos de hidrógeno. No hay carga general a una molécula de agua, pero hay una ligera carga positiva en cada átomo de hidrógeno y una ligera carga negativa en el átomo de oxígeno. Debido a estas cargas, los átomos de hidrógeno ligeramente positivos se repelen entre sí y forman la forma única. Cada molécula de agua atrae a otras moléculas de agua debido a las cargas positivas y negativas en las diferentes partes de la molécula. El agua también atrae a otras moléculas polares (como los azúcares) que pueden disolverse en el agua y se conocen como hidrófilas (“amantes del agua”).
• El agua estabiliza la temperatura. Los enlaces de hidrógeno en el agua le permiten absorber y liberar energía térmica más lentamente que muchas otras sustancias. La temperatura es una medida del movimiento (energía cinética) de las moléculas. A medida que aumenta el movimiento, la energía es mayor y por lo tanto la temperatura es mayor. El agua absorbe una gran cantidad de energía antes de que suba su temperatura. El aumento de la energía interrumpe los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua. Debido a que estos enlaces se pueden crear e interrumpir rápidamente, el agua absorbe un aumento en la energía y los cambios de temperatura solo mínimamente. Esto significa que el agua modera los cambios de temperatura dentro de los organismos y en sus ambientes.
• El agua es un excelente solvente. Debido a que el agua es polar, con ligeras cargas positivas y negativas, los compuestos iónicos y las moléculas polares pueden disolverse fácilmente en ella. El agua es, por lo tanto, lo que se denomina disolvente, una sustancia capaz de disolver otra sustancia. Las partículas cargadas formarán enlaces de hidrógeno con una capa circundante de moléculas de agua.
• El agua es cohesiva. ¿Alguna vez has llenado un vaso de agua hasta la parte superior y luego lentamente agregaste algunas gotas más? Antes de que se desborde, el agua en realidad forma una forma de cúpula sobre el borde del vidrio. Esta agua puede permanecer por encima del cristal debido a la propiedad de cohesión. En cohesión, las moléculas de agua son atraídas entre sí (debido a los enlaces de hidrógeno), manteniendo las moléculas juntas en la interfaz líquido-aire (gas), aunque no hay más espacio en el vidrio. La cohesión da lugar a la tensión superficial, la capacidad de una sustancia para soportar la ruptura cuando se coloca bajo tensión o tensión. Cuando se deja caer un pequeño trozo de papel sobre una gotita de agua, el papel flota sobre la gotita de agua, aunque el objeto es más denso (más pesado) que el agua. Esto ocurre debido a la tensión superficial que crean las moléculas de agua. La cohesión y la tensión superficial mantienen intactas las moléculas de agua y el artículo flotando en la parte superior. Incluso es posible “flotar” una aguja de acero sobre un vaso de agua si la colocas suavemente, sin romper la tensión superficial. Estas fuerzas cohesivas también están relacionadas con la propiedad de adhesión del agua, o la atracción entre las moléculas de agua y otras moléculas. Esto se observa cuando el agua “sube” por una pajita colocada en un vaso de agua. Notarás que el agua parece estar más alta en los lados de la paja que en el medio. Esto se debe a que las moléculas de agua son atraídas por la paja y por lo tanto se adhieren a ella. Las fuerzas cohesivas y adhesivas son importantes para mantener la vida útil. Por ejemplo, debido a estas fuerzas, el agua puede fluir desde las raíces hasta la parte superior de las plantas para alimentar a la planta.

tampones, pH, ácidos y bases

El pH de una solución es una medida de su acidez o alcalinidad. La escala de pH oscila entre 0 y 14. Un cambio de una unidad en la escala de pH representa un cambio en la concentración de iones hidrógeno por un factor de 10, un cambio en dos unidades representa un cambio en la concentración de iones hidrógeno por un factor de 100. Por lo tanto, pequeños cambios en el pH representan grandes cambios en las concentraciones de iones hidrógeno. El agua pura es neutra. No es ni ácida ni básica y tiene un pH de 7.0. Cualquier cosa por debajo de 7.0 (que va de 0.0 a 6.9) es ácida, y cualquier cosa por encima de 7.0 (de 7.1 a 14.0) es alcalina. La sangre en tus venas es ligeramente alcalina (pH = 7.4). El ambiente en tu estómago es altamente ácido (pH = 1 a 2). El jugo de naranja es ligeramente ácido (pH = aproximadamente 3.5), mientras que el bicarbonato de sodio es básico (pH = 9.0).

Los ácidos son sustancias que proporcionan iones hidrógeno (H+) y pH más bajo, mientras que las bases proporcionan iones hidróxido (OH—) y elevan el pH. Cuanto más fuerte es el ácido, más fácilmente dona H+. Por ejemplo, el ácido clorhídrico y el jugo de limón son muy ácidos y renuncian fácilmente a H+ cuando se agregan al agua. Por el contrario, las bases son aquellas sustancias que donan fácilmente OH—. Los iones OH— se combinan con H+ para producir agua, lo que eleva el pH de una sustancia. El hidróxido de sodio y muchos limpiadores domésticos son muy alcalinos y abandonan el OH, rápidamente cuando se colocan en agua, elevando así el pH.

Figura\(\PageIndex{4}\). La escala de pH mide la cantidad de iones hidrógeno (H+) en una sustancia. (crédito: modificación de obra de Edward Stevens)

¿Cómo es que podemos ingerir o inhalar sustancias ácidas o básicas y no morir? Los búferes son la clave. Los tampones absorben fácilmente el exceso de H+ u OH—, manteniendo el pH del cuerpo cuidadosamente mantenido en el rango estrecho mencionado anteriormente. El dióxido de carbono es parte de un sistema tampón prominente en el cuerpo humano; mantiene el pH dentro del rango adecuado. Este sistema tampón involucra ácido carbónico (H ₂ CO ₃) y anión bicarbonato (HCO ₃ —). Si entra demasiado H+ al cuerpo, el bicarbonato se combinará con el H+ para crear ácido carbónico y limitar la disminución del pH. De igual manera, si se introduce demasiado OH— en el sistema, el ácido carbónico se combinará con él para crear bicarbonato y limitar el aumento del pH. Si bien el ácido carbónico es un producto importante en esta reacción, su presencia es fugaz porque el ácido carbónico se libera del cuerpo como gas dióxido de carbono cada vez que respiramos. Sin este sistema tampón, el pH en nuestros cuerpos fluctuaría demasiado y no lograríamos sobrevivir.

Moléculas Biológicas

Además del agua, las moléculas necesarias para la vida son orgánicas. Las moléculas orgánicas son aquellas que contienen carbono unido covalentemente a hidrógeno. Además, pueden contener oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre y elementos adicionales.Existen cuatro clases principales de moléculas orgánicas: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Cada uno es un componente importante de la celda y realiza una amplia gama de funciones.

A menudo se dice que la vida es “a base de carbono”. Esto significa que los átomos de carbono, unidos a otros átomos de carbono u otros elementos, forman los componentes fundamentales de muchas de las moléculas que se encuentran de manera única en los seres vivos. Otros elementos juegan un papel importante en las moléculas biológicas, pero el carbono ciertamente califica como el elemento “fundamento” de las moléculas en los seres vivos. Son las propiedades de unión de los átomos de carbono las que son responsables de su importante papel.

El carbono puede formar cuatro enlaces covalentes con otros átomos o moléculas. La molécula de carbono orgánico más simple es el metano (CH4), en el que cuatro átomos de hidrógeno se unen a un átomo de carbono (Figura\(\PageIndex{5}\)). Los carbohidratos incluyen lo que comúnmente se conoce como azúcares simples, como la glucosa, y carbohidratos complejos como el almidón. Si bien muchos tipos de carbohidratos se utilizan como energía, algunos son utilizados para la estructura por la mayoría de los organismos, incluyendo plantas y animales. Por ejemplo, la celulosa es un carbohidrato complejo que agrega rigidez y fuerza a las paredes celulares de las plantas. El sufijo “-ose” denota un carbohidrato, pero tenga en cuenta que no a todos los carbohidratos se les dio ese sufijo cuando los nombres (e.g., almidón).

Figura\(\PageIndex{5}\). El carbono puede formar cuatro enlaces covalentes para crear una molécula orgánica. La molécula de carbono más simple es el metano (CH4), representado aquí.

Los lípidos incluyen un grupo diverso de compuestos que están unidos por una característica común. Los lípidos son hidrófobos (“temerosos del agua”), o insolubles en agua, porque son moléculas no polares (moléculas que contienen enlaces covalentes no polares). Los lípidos realizan muchas funciones diferentes en una célula. Las células almacenan energía para su uso a largo plazo en forma de lípidos llamados grasas. Los lípidos también proporcionan aislamiento del ambiente para plantas y animales. Por ejemplo, ayudan a mantener secos a las aves y mamíferos acuáticos debido a su naturaleza repelente al agua. Los lípidos también son los bloques de construcción de muchas hormonas y son un componente importante de las membranas celulares. Los lípidos incluyen grasas, aceites, ceras, fosfolípidos y esteroides.

Las proteínas son una de las moléculas orgánicas más abundantes en los sistemas vivos y tienen el rango de funciones más diverso de todas las macromoléculas. Todos son polímeros de aminoácidos. Las funciones de las proteínas son muy diversas porque hay 20 aminoácidos diferentes químicamente distintos que forman cadenas largas, y los aminoácidos pueden estar en cualquier orden. Las proteínas pueden funcionar como enzimas, hormonas, fibras contráctiles, bastones de citoesqueleto y mucho más. Las enzimas son vitales para la vida porque actúan como catalizadores en reacciones bioquímicas (como la digestión). Cada enzima es específica para el sustrato (un reactivo que se une a una enzima) sobre el cual actúa. Las enzimas pueden funcionar para romper enlaces moleculares, reorganizar enlaces o formar nuevos enlaces.

Figura\(\PageIndex{6}\). El modelo de doble hélice muestra el ADN como dos cadenas paralelas de moléculas entrelazadas.

Los ácidos nucleicos son moléculas muy grandes que son importantes para la continuidad de la vida. Llevan el plano genético de una célula y así las instrucciones para su funcionalidad. Los dos tipos principales de ácidos nucleicos son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). El ADN es el material genético que se encuentra en todos los organismos, desde bacterias unicelulares hasta mamíferos multicelulares. El otro tipo de ácido nucleico, el ARN, está principalmente involucrado en la síntesis de proteínas. Las moléculas de ADN nunca abandonan el núcleo, sino que utilizan un intermediario de ARN para comunicarse con el resto de la célula. Otros tipos de ARN también están involucrados en la síntesis de proteínas y su regulación. El ADN y el ARN están formados por pequeños bloques de construcción conocidos como nucleótidos. Los nucleótidos se combinan entre sí para formar un polinucleótido: ADN o ARN. Cada nucleótido se compone de tres componentes: una base nitrogenada, un azúcar pentosa (cinco carbonos) y un fosfato. El ADN tiene una hermosa estructura de doble hélice (Figura\(\PageIndex{6}\)).

Recursos adicionales:

Figura\(\PageIndex{8}\). Un video que proporciona información increíble sobre los átomos.

Atribución

• Conceptos de Biología por OpenStax está licenciado bajo CC BY 4.0. Modificado del original por Matthew R. Fisher.