LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA
El objetivo de la bioquímica es explicar químicamente las estructuras y funciones de los seres vivos.
Fundamentos químicos
Átomo: Unidad fundamental de la materia, formada por protón, electrón y neutrón.
El número de protones y electrones en un átomo es el mismo. Sin embargo, existen átomos cargados llamados
iones.
Si un átomo pierde electrones formará un
catión, si gana electrones formará un
anión.
Cada elemento químico está formado por un tipo de átomo que se diferencia en el número de protones presentes en el núcleo =
número atómico (Z)
Un mismo elemento puede variar en su número de electrones lo que determina la existencia de
isótopos.
Los orbitales atomicos quedan definidos por los números cuánticos
Orbitales atómicos: zonas que rodean al núcleo donde existe la máxima propbabilidad de encontrar electrones.
Cada orbital se define por un conjunto de 3 números cuánticos:
Número cuántico principal (n): Describe tamaño y energía del orbital.
Número cuántico azimutal (l): Representa un subnivel de energía y define la forma geométrica de un orbital.
Número cuántico magnético (m): Define la orientación en el espacio si se fijan ejes de referencia arbitrarios.
Los electrones se distribuyen en los orbitales siguiendo varios principios:
- Inicialmente ocupan los niveles de energía más bajos.
- Cada orbital alberga un máximo de dos electrones.
- Cuando existen varias posibilidades de localización en subniveles de la misma energía, los electrones ocupan subniveles separados según el principio de multiplicidad.
¿Qué determina el orden de los elementos en la tabla periódica?
La posición de cada elemento en la tabla revela sus características.
El orden de os elementos en la tabla periódica viene determinado por dos ejes:uno horizontal (períodos); y otro vertical (grupos). Se ordenan en un período de izquierda a derecha, según aumenta su número de protones y, por lo tanto, de electrones si el átomo es neutro.
El último elemento de cada período tiene completo su último nivel de energía y se denomina
gas noble.
Los elementos se combinan y forman moléculas
La unión entre dos átomos se establece a través de enlaces químicos formando moléculas.
Las moléculas constituidas por átomos diferentes se llaman
compuestos.
La tendencia que tienen los átomos de atraer hacia sí el par de electrones compartidos se llama
electronegatividad.
Enlace covalente: Se da principalmente en moléculas biológicas. Sucede cuando los átomos que reaccionan poseen elevada electronegatividad y ambos comparten sus electrones de valencia completando su última capa.
Polaridad y enlaces polares
Cuando dos átomos de electronegatividad muy diferente forman un enlace covalente, los electrones no son compartidos en igual medida por los dos, de forma que serán atraídos con más fuerza por el más electronegativo formando un
enlace covalente polar.
El resultado es un
dipolo, es decir, dos cargas de signo opuesto separadas por una distancia determinada.
Los grupos funcionales determinan las interacciones entre biomoléculas
Las múltiples posibilidades que tiene el átomo de carbono para formar moléculas diferentes viene determinada por la capacidad de formar cuatro enlaces con ángulos muy abiertos, además de ser enlaces covalentes no polares y, por lo tanto, muy estables.
Una biomolécula debe estar en constante cambio; y así formarán asociaciones muy importantes, bien entre ellas o con el agua, ya que éste es el medio en el que se van a encontrar principalmente.
En las diferentes biomoléculas de los seres vivos se encuentran, de forma recurrente
, una serie de grupos funcionales. La naturaleza de estos grupos es determinante en el funcionamiento de la molécula biológica; tanto para el establecimiento de enlaces covalentes entre moléculas y la formación de biopolímeros, o macromoléculas, como para la asociación e interacción mediante enlaces débiles entre ellas y con el medio.
Las interacciones débiles determinan la función de la molécula
Las moléculas deben interaccionar para comenzar una acción, y posteriormente separarse.
Las interacciones débiles pueden ser de naturaleza electrostática o hidrofóbica. Las primeras incluyen los puentes de hidrógeno, los puentes salinos (enlace iónico) y las fuerzas de van der Waals.
Puente de hidrógeno
Es de naturaleza relativamente fuerte, común entre moléculas polares en un medio acuoso y responsable de las múltiples uniones débiles entre las moléculas de agua.
Para que se forme un puente de hidrógeno es necesaria la presencia de un átomo de hidrógeno (H) unido covalentemente a un átomo electronegativo (O y N).
Enlace iónico o puente salino
En la célula los inones van a establecer entre sí, interacciones de tipo electrostático también denominadas
puente salino.
Fuerzas de van der Waals
Interacciones muy débiles que mantienen unidos temporalmente átomos o moléculas o polares; interacciones de tipo carga-carga, pero dependen de la distancia entre átomos. Dipolos temporales, se están formando continuamente entre moléculas en solución, y no es necesario que las moléculas sean polares.
Interacción hidrofóbica
Difieren de las anteriormente descritas en que no presentan naturaleza electrostática. Se darán entre moléculas y grupos funcionales no polares. No van a haber tampoco entre ellos ningún tipod e interacción: la unión se basa únicamente en la iposibilidad que tiene la molécula hidrofóbica en interaccionar con el agua.
Son fundamentales en biología, ya que la naturaleza polar de uchos componentes, les obligan a mantenerse unidos, formando distintas estructuras, para alejarse del agua y así formar verdaderas barreras hidrofóbicas.
EL AGUA COMO PRINCIPAL DISOCLVENTE BIOLÓGICO
La molécula de agua es un dipolo
El agua es el medio líquido fundamental en el que se va a desarrollar la mayor parte de las reacciones químicas de la materia. Es el principal disolvente biológico.
La distribución de las cargas y la geometría de la molécula posibilitan la gran interacción entre una molécula y sus vecinas. Las interacciones débiles que establece una molécula de agua con las de su alrededor se realiza mediante puentes de hidrógeno. Este tipo de enlace débil es de vital importancia, no sólo por permitir la formación y rotura de los enlaces y, por lo tanto, dar naturaleza líquida al agua, si no también porque gracias a este tipo de interacción se van a disolver muchas mol´peculas biológicas en este medio.
Química de los ácidos y de las bases
Según Lewis, una base es una sustancia con un par de electrones disponibles para formar un enlace covalente dativo; un ácido es una molécula en la que existe un átomo capaz de aceptar un par de electrones ya que posee un orbital externo libre.
Según Bronsted Lowry, un ácido se define como una sustancia que puede ceder un protón y una base es aquella que puede aceptar un protón al reaccionar con un ácido. Cuando el ácido pierde el protón se convierte en una sustancia que tiende a recuperarlo; esta segunda forma se denomina
su base conjugada. De igual forma una base que capta un protón tendrá tendencia a perderlo, tendrá carácter ácido. Existen sustancias que pueden comportarse como ácidos y como bases:
anfóteras. El agua pertenece a este tipo de sustancias.
El pH y el pKa
La acidez de una solución se mide por la concentración de iones Hidronio o protones, que presente.
El pH es sólo una manera de expresar la concentración de ión Hidronio.
Las soluciones tampón regulan el pH de la célula
Los tampones son sitemas acuosos que tienden a amortiguar los cambios que se producen en el pH, cuando se añaden pequeñas cantidades de ácido (H) o de base (OH). Estos sistemas están constituidos por un ácido débil y su base conjugada, o bien por una base débil y su ácido conjugado.
El principal tampón biológico intracelular es el tampón fosfato.
LAS REACCIONES QUÍMICAS EN LA CÉLULA
Equilibrio de una reacción química
En una reacción química, los reactivo interaccionan para formar productos. En la mayoría de las reacciones químicas, la reación no finaliza cuando todo el reactivo se ha convertido en producto. En lugar de ello, llega un momento en que el producto formado comienza a reaccionar para dar un nuevo reactivo. La reacción ocurre de forma reversible.
La gran mayoría de las reacciones que tienen lugar en la célula son
reacciones reversibles, y por lo tanto tienden a alcanzar equilibrio químico.
Reactividad de las moléculas biológicas
La presencia de grupos funcionales en las moléculas proporciona sitios reactivos, donde dichas moléculas va a unirse a otras o a reaccionar y transformarse.
Pueden ser nucleófilos o electrófilos, según la capacidad de atraer o no electrones.
Los sitios reactivos van a aportar centros nucleófilos o electrófilos:
Centros nucleófilos (atracción por el núcleo): Grupos ricos en electrones, y pueden tener carga negativa, pares de electrones no enlazantes o "pares solitarios", o poseer una densidad electrónica típica de dobles enlaces.
Centros electrófilos (atracción por electrones): Tienen atracción por las cargas negativas, es decir, ricas en electrones, debido a us carencia de electrones en capa de valencia.
Las reacciones de condensación o deshidratación son un tipo de reacción química que va a tener un papel fundamental en la formación de las macromoléculas. En este tipod e reacciones participan diferentes grupos funcionales polares y la formación de un enlace covalente va a liberar una molécula de agua al medio.
