Ejemplo de tems

Capítulo
1. Átomos
y moléculas

La materia, incluso
la que constituye los organismos más complejos, está constituida
por combinaciones de elementos. En la Tierra, existen unos 92 elementos. Muchos
son muy conocidos, como el carbono, que se encuentra en forma pura en el diamante
y en el grafito; el oxígeno, abundante en el aire que respiramos; el
calcio, que utilizan muchos organismos para construir conchas, cáscaras
de huevo, huesos y dientes, y el hierro, que es el metal responsable del color
rojo de nuestra sangre. La partícula más pequeña de un
elemento es el átomo. Los átomos, a su vez, están constituidos
por partículas más pequeñas: protones, neutrones y electrones.

En la actualidad,
los físicos explican la estructura del átomo por medio del modelo
orbital. Los átomos son las piezas fundamentales de toda la materia viva
y no viva. Aun así, son muy pequeños y constituyen un espacio
eminentemente vacío. Los electrones se mueven alrededor del núcleo
a una gran velocidad -una fracción de la velocidad de la luz- siendo
la distancia entre el electrón y el núcleo, en promedio, unas
1.000 veces el diámetro del núcleo.

En un átomo,
existe una íntima relación entre los electrones y la energía.
En un modelo simplificado, la distancia de un electrón al núcleo
está determinada por la cantidad de energía potencial -o "energía
de posición"- que posee el electrón. Así, los electrones
tienen diferentes cantidades de energía de acuerdo a su ubicación
con respecto al núcleo y, a su vez, su número y distribución
determina el comportamiento químico de un átomo.

Las partículas
formadas por dos o más átomos se conocen como moléculas
que se mantienen juntas por medio de enlaces químicos. Dos tipos comunes
son los enlaces iónicos y los enlaces covalentes.

Las reacciones químicas involucran el intercambio de electrones entre
los átomos y pueden representarse con ecuaciones químicas. Tres
tipos generales de reacciones químicas son:

a. la combinación
de dos o más sustancias para formar una sustancia diferente,

b. la disociación de una sustancia en dos o más, y

c. el intercambio de átomos entre dos o más sustancias.

Las sustancias
formadas por átomos de dos o más elementos diferentes, en proporciones
definidas y constantes, se conocen como compuestos químicos.

Los seres vivos
están constituidos por los mismos componentes químicos y físicos
que las cosas sin vida, y obedecen a las mismas leyes físicas y químicas.
Seis elementos (C, H, N, O, P y S) constituyen el 99% de toda la materia viva.
Los átomos de estos elementos son pequeños y forman enlaces covalentes
estables y fuertes. Con excepción del hidrógeno, todos pueden
formar enlaces covalentes con dos o más átomos, dando lugar a
las moléculas complejas que caracterizan a los sistemas vivos.

En los seres vivos
la materia se ordena en los llamados niveles de organización biológica.
Cada nivel, desde el subatómico hasta el de la biosfera, tiene propiedades
particulares -o emergentes- que surgen de la interacción entre sus componentes.

Los
átomos

El núcleo
de un átomo contiene protones cargados positivamente y -a excepción
del hidrógeno, (1H)- neutrones, que no tienen carga. El número
atómico es igual al número de protones en el núcleo de
un átomo. El peso atómico de un átomo es, aproximadamente,
la suma del número de protones y neutrones existentes en su núcleo.
Las propiedades químicas de un átomo están determinadas
por sus electrones (partículas pequeñas, cargadas negativamente),
que se encuentran fuera del núcleo. El número de electrones en
un átomo es igual al número de protones y determina el número
atómico.

Todos los átomos
de un elemento determinado tienen el mismo número de protones en su núcleo.
En algunas ocasiones, sin embargo, diferentes átomos del mismo elemento
contienen diferentes números de neutrones. Estos átomos que, por
lo tanto, difieren entre sí en sus pesos atómicos, pero no en
sus números atómicos, se conocen como isótopos del elemento.

Los núcleos
de los diferentes isótopos de un mismo elemento contienen el mismo número
de protones, pero diferente número de neutrones. Así, los isótopos
de un elemento tienen el mismo número atómico, pero difieren en
sus pesos atómicos.

La mayoría
de los elementos tienen varias formas isotópicas. Las diferencias en
peso, aunque son muy pequeñas, son lo suficientemente grandes como para
ser detectadas por los aparatos modernos de laboratorio. Además, si bien
no todos, muchos de los isótopos menos comunes son radiactivos. Esto
significa que el núcleo del átomo es inestable y emite energía
cuando cambia a una forma más estable. La energía liberada por
el núcleo de un isótopo radiactivo puede estar en forma de partículas
subatómicas que se mueven rápidamente, de radiación electromagnética
o en ambas formas. Pueden detectarse con un contador Geiger o con una película
fotográfica

Electrones y energía

Los electrones más próximos
al núcleo tienen menos energía que los más alejados y,
de esta manera, se encuentran en un nivel energético más bajo.
Un electrón tiende a ocupar el nivel energético más bajo
disponible, pero con el ingreso de energía puede ser lanzado a un nivel
energético más alto. Cuando el electrón regresa a un nivel
de energía más bajo, se libera energía.

En un modelo simplificado, la
distancia de un electrón al núcleo está determinada por
la cantidad de energía potencial (llamada frecuentemente "energía
de posición") que posee el electrón.

La siguiente analogía
puede ser útil. Una roca que descansa en un terreno plano no gana ni
pierde energía potencial. La energía usada para empujar la roca
hasta la cima de una colina se transforma en energía potencial, almacenada
en la roca cuando reposa en la cima de la colina. Esta energía potencial
se convierte en energía cinética (o energía de movimiento)
cuando la roca rueda cuesta abajo. Parte de la energía se pierde en forma
de energía térmica, producida por la fricción entre la
roca y la colina.

Variación
en la energía potencial de un objeto según su altura.

Enlaces y moléculas

Cuando los átomos entran
en interacción mutua, de modo que se completan sus niveles energéticos
exteriores, se forman partículas nuevas más grandes. Estas partículas
constituidas por dos o más átomos se conocen como moléculas
y las fuerzas que las mantienen unidas se conocen como enlaces. Hay dos tipos
principales de enlaces: iónico y covalente.

Los enlaces iónicos se
forman por la atracción mutua de partículas de carga eléctrica
opuesta; esas partículas, formadas cuando un electrón salta de
un átomo a otro, se conocen como iones. Para muchos átomos, la
manera más simple de completar el nivel energético exterior consiste
en ganar o bien perder uno o dos electrones. Este es el caso de la interacción
del sodio con el cloro que forma cloruro de sodio a través de un enlace
iónico. Estos enlaces pueden ser bastante fuertes pero muchas sustancias
iónicas se separan fácilmente en agua, produciendo iones libres.


Muchos iones constituyen un porcentaje ínfimo del peso vivo, pero desempeñan
papeles centrales. El ion potasio (K+) es el principal ion con carga positiva
en la mayoría de los organismos, y en su presencia puede ocurrir la mayoría
de los procesos biológicos esenciales. Los iones calcio (Ca2+), potasio
(K+) y sodio (Na+) están implicados todos en la producción y propagación
del impulso nervioso. Además, el Ca2+ es necesario para la contracción
de los músculos y para el mantenimiento de un latido cardíaco
normal. El ion magnesio (Mg2+) forma parte de la molécula de clorofila,
la cual atrapa la energía radiante del Sol en algunas algas y en las
plantas verdes.

Los enlaces covalentes están
formados por pares de electrones compartidos. Un átomo puede completar
su nivel de energía exterior compartiendo electrones con otro átomo.
En los enlaces covalentes, el par de electrones compartidos forma un orbital
nuevo (llamado orbital molecular) que envuelve a los núcleos de ambos
átomos. En un enlace de este tipo, cada electrón pasa parte de
su tiempo alrededor de un núcleo y el resto alrededor del otro. Así,
al compartir los electrones, ambos completan su nivel de energía exterior
y neutralizan la carga nuclear.

Los átomos que necesitan ganar electrones para tener un nivel energético
exterior completo y por lo tanto estable, tienen una fuerte tendencia a formar
enlaces covalentes. Así, por ejemplo, un átomo de hidrógeno
forma un enlace covalente simple con otro átomo de hidrógeno.
También puede formar un enlace covalente con cualquier otro átomo
que necesite ganar un electrón para completar su nivel de energía
exterior.


La capacidad de los átomos de carbono para formar enlaces covalentes
es de extraordinaria importancia en los sistemas vivos. Un átomo de carbono
tiene cuatro electrones en su nivel energético exterior. Puede compartir
cada uno de estos electrones con otro átomo, formando enlaces covalentes
hasta con cuatro átomos. Los enlaces covalentes formados por un átomo
de carbono pueden hacerse con cuatro átomos diferentes (los más
frecuentes son hidrógeno, oxígeno y nitrógeno) o con otros
átomos de carbono.

Orbitales del
átomo de carbono

Cuando un átomo de carbono
forma enlaces covalentes con otros cuatro átomos, los electrones de su
nivel de energía exterior forman nuevos orbitales. Estos nuevos orbitales,
todos con una misma configuración, se orientan hacia los cuatro vértices
de un tetraedro. Así, los cuatro orbitales se encuentran separados tanto
como es posible.

Reacción
C-O.

Representación
tridimensional de la molécula de metano.

Dibujo esquemático
de una molécula de agua (H2O).

Cada uno de los
dos enlaces covalentes sencillos de esta molécula están formados
por un electrón compartido del oxígeno y un electrón compartido
del hidrógeno.

Esquema de la
molécula de dióxido de carbono (CO2).

El átomo de carbono en
el centro de la molécula participa con dos enlaces covalentes dobles,
uno con cada átomo de oxígeno. Cada enlace doble está formado
por dos pares de electrones compartidos por los dos átomos que participan
en el enlace. En las fórmulas estructurales el enlace doble se representa
por dos guiones paralelos: =.

Reacciones químicas

Los enlaces iónicos,
covalentes polares y covalentes en realidad pueden ser considerados como versiones
diferentes del mismo tipo de enlace. Las diferencias dependen de los diferentes
grados de atracción que los átomos que se combinan ejercen sobre
los electrones. En un enlace covalente completamente no polar, los electrones
se comparten por igual. Esos enlaces pueden existir sólo entre átomos
idénticos: H2, Cl2, O2 y N2, por ejemplo. En los enlaces covalentes polares,
los electrones se comparten de modo desigual, y en los enlaces iónicos
hay una atracción electrostática entre los iones negativa y positivamente
cargados, como resultado de que han ganado o perdido previamente electrones.

La multitud de reacciones químicas
que ocurren tanto en el mundo animado como en el inanimado pueden clasificarse
en unos pocos tipos generales. Un tipo de reacción puede ser una combinación
simple representada por la expresión:

A + B ->
AB

Ejemplos de este tipo de reacción
son la combinación de los iones sodio y los iones cloruro para formar
cloruro de sodio, y la combinación del gas hidrógeno con el gas
oxígeno para producir agua.

Una reacción también
puede ser de disociación:

AB -> A
+ B

Por ejemplo, la ecuación
anterior, que muestra la formación del agua, puede ocurrir en sentido
inverso.

2H2O ->
2H2 + O2

Esto significa que las moléculas
de agua producen los gases hidrógeno y oxígeno.

Una reacción también
puede implicar un intercambio, tomando la forma:

AB + CD ->
AD + CB

Un ejemplo de dicho intercambio
ocurre cuando los compuestos químicos hidróxido de sodio (NaOH)
y ácido clorhídrico (HCl) reaccionan, produciendo sal de mesa
y agua:

NaOH + HCl
-> NaCl + H2O

El primer nivel de energía puede contener un máximo de dos electrones,
el segundo nivel un máximo de ocho, al igual que el tercer nivel energético
de los elementos, hasta el Número Atómico 20 (calcio). En los
elementos de mayor Número Atómico, el tercer nivel energético
tiene orbitales internos adicionales, que pueden tener un máximo de diez
electrones más. Como se puede observar, el cuarto nivel de electrones
se empieza a llenar antes de completarse el tercero.

Elementos biológicamente
importantes

Los elementos son, por definición,
sustancias que no pueden ser desintegradas en otras sustancias por medios químicos
ordinarios. De los 92 elementos naturales de la Tierra, sólo seis constituyen
aproximadamente el 99% de todos los tejidos vivos. Estos seis elementos son
el carbono, el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno, el
fósforo y el azufre, a los cuales se los conoce con la sigla CHNOPS.
Sin embargo, no son los elementos más abundantes en la superficie de
la Tierra.

¿Por qué, cuando
la vida se organizó y evolucionó, fueron estos elementos tan importantes?
Una clave es que los átomos de todos estos elementos necesitan ganar
electrones para completar sus niveles de energía exteriores. Así,
generalmente forman enlaces covalentes. Dado que estos átomos son pequeños,
los electrones compartidos en los enlaces se mantienen próximos a los
núcleos, produciendo moléculas muy estables. Más aun, con
excepción del hidrógeno, los átomos de todos estos elementos
pueden formar enlaces con dos o más átomos, haciendo posible la
constitución de las moléculas grandes y complejas esenciales para
las estructuras y funciones de los sistemas vivos.

Niveles de organización
biológica

Uno de los principios fundamentales
de la biología es que los seres vivos obedecen a las leyes de la física
y la química. Los organismos están constituidos por los mismos
componentes químicos -átomos y moléculas- que las cosas
inanimadas. Esto no significa, sin embargo, que los organismos sean "solamente"
los átomos y moléculas de los cuales están compuestos;
hay diferencias reconocibles entre los sistemas vivos y los no vivos.

En cualquier organismo, como
la bacteria Escherichia coli, los átomos que lo constituyen se combinan
entre sí de forma muy específica. Gran parte del hidrógeno
y del oxígeno está presente en forma de agua, lo cual da cuenta
de la mayor parte del peso de la E. coli. Además del agua, cada bacteria
contiene aproximadamente 5.000 clases de macromoléculas diferentes. Algunas
de ellas desempeñan funciones estructurales, otras regulan la función
celular y casi 1.000 están relacionadas con la información genética.
Algunas de las macromoléculas actúan recíprocamente con
el agua para formar una película delicada y flexible, una membrana, que
encierra a todos los otros átomos y moléculas que componen la
E. coli. Así encerrados, constituyen, notablemente, una célula,
una entidad viva.

Al igual que otros organismos
vivos, puede transformar la energía tomando moléculas del medio
y utilizarlas para sus procesos de crecimiento y reproducción. Puede
intercambiar información genética con otras células de
E. coli. Puede moverse impulsándose con la rotación de fibras
delgadas y flexibles unidas a una estructura que se asemeja a la caja de cambios
de un automóvil, pero es mucho más antigua. La dirección
del movimiento no es al azar; la E. coli, pequeña como es, tiene un número
de distintos sensores que la capacitan para detectar y moverse hacia los alimentos
y alejarse de las sustancias nocivas.

La E. coli es uno de los organismos
microscópicos más conocidos. Su residencia preferida es el tracto
intestinal del ser humano, donde vive en íntima asociación con
las células que forman el tapiz de ese tracto. Estas células humanas
se asemejan a la E. coli en muchos aspectos importantes: contienen aproximadamente
la misma proporción de las mismas seis clases de átomos y, como
en la E. coli, estos átomos están organizados en macromoléculas.
Sin embargo, las células humanas también son muy distintas de
la E. coli. Por un lado, son de tamaño mucho mayor; por otro, mucho más
complejas. Lo más importante es que no son entidades independientes como
las células de E. coli, pues cada una forma parte de un organismo pluricelular.
En éstos, las células individuales están especializadas
en cumplir funciones particulares, que ayudan a la función del organismo
en conjunto. Cada célula del tapiz intestinal vive durante unos pocos
días; el organismo, con suerte, vivirá varias décadas.
La E. coli, las células de su huésped humano y otros microorganismos
que viven en el tracto intestinal interactúan unos con otros. Habitualmente
esto ocurre sin consecuencias, de modo que no nos damos cuenta de estas interacciones,
pero ocasionalmente tomamos conciencia del delicado equilibrio que existe. Por
ejemplo, muchos de nosotros hemos tenido la experiencia de tomar un antibiótico
para curar un tipo de infección para finalmente adquirir otro tipo de
infección, causado en general por un tipo de levadura. Lo que ocurre
es que el antibiótico mata no sólo a las bacterias que causan
la infección inicial, sino también a las E. coli y a los otros
habitantes normales de nuestro tracto intestinal. Las células de levadura
no son susceptibles al antibiótico y, por lo tanto, se apoderan del territorio,
del mismo modo que ciertas especies de plantas se apoderarán rápidamente
de cualquier pedazo de terreno del que se elimine la vegetación original.

Las E. coli y otras células
con las que interacstúan ilustran lo que conocemos como niveles de organización
biológica. En cada nivel, la interacción entre sus componentes
determina las propiedades de ese nivel. Así, desde el primer nivel de
organización con el cual los biólogos habitualmente se relacionan,
el nivel subatómico, hasta el nivel de la biosfera, se producen interacciones
permanentes. Durante un largo espacio de tiempo estas interacciones dieron lugar
al cambio evolutivo. En una escala de tiempo más corta, estas interacciones
determinan la organización de la materia viva

Gráfico
que representa la aparición de distintos niveles de complejidad.

A medida que la vida fue evolucionando,
aparecieron formas de organización más complejas. Sin embargo,
los niveles más simples de organización persistieron en especies
que también fueron evolucionando, muchas de las cuales sobrevivieron
hasta la actualidad. La formas de vida con niveles de organización tisular,
de órganos y de sistemas aparecen en el registro fósil en el mismo
período geológico. En el diagrama anterior no se representan los
numerosos tipos de organismos que se extinguieron a lo largo de la historia
de la vida.