Base molecular y fisicoquímica de la vida

¿Qué es la base molecular y fisicoquímica de la vida?

Toda la materia conocida en el universo está formada por un número limitado de elementos químicos (tipos de átomos).

Los elementos adquieren sus propiedades únicas gracias al número de partículas subatómicas que contienen los átomos que los constituyen. Las partículas subatómicas son tres:

• Los protones y neutrones en el núcleo del átomo (su centro)
• Los electrones que orbitan alrededor del núcleo.

Los protones son unidades de materia con carga positiva, los neutrones no tienen carga y los electrones tienen carga negativa. Los protones tienen aproximadamente la misma masa que los neutrones, mientras que la masa de los electrones es insignificante.

Fig. 1- Estructura de un átomo.

Los elementos suelen estar equilibrados y sin carga, con igual número de protones y electrones. Sin embargo, existen otras formas de elementos. Entre ellas están los iones y los isótopos, que se distinguen por poseer números desiguales de protones, neutrones y electrones.

• Los isótopos son elementos con diferente número de neutrones y protones.
• Los iones son elementos con un número desigual de protones y electrones y, por tanto,no son electroquímicamente neutros —es decir, tienen carga—.

Existen 92 elementos naturales y 26 elementos artificiales. Estos elementos se representan en la tabla periódica.

Tanto la materia viva como la materia no viva está constituida por este mismo grupo de 92 elementos. No existe ningún elemento que sea exclusivo de la materia viva. Sin embargo, hay ciertos elementos que son esenciales para toda vida, otros que no son esenciales para la vida de todos los seres vivos y otros que simplemente no forman parte de la materia viva.

Fig. 2- La tabla periódica de los elementos.

Después de este repaso a los constituyentes básicos de la materia viva, te estarás preguntando cuál es la respuesta a la pregunta que encabeza esta sección.

Niveles de organización de los seres vivos

La interacción y agregación de los elementos da lugar a estructuras que, a su vez, abren espacio a otras estructuras. De esta manera se crean estructuras cada vez más complejas. A estos distintos niveles de organización estructural que se pueden encontrar en la materia viva se les denomina niveles de organización de los seres vivos.

Los niveles de organización de los seres vivos, de más simple a más complejo, son los siguientes:

1. Partículas elementales
2. Partículas subatómicas
3. Átomos
4. Moléculas
5. Macromoléculas
6. Complejos supramoleculares
7. Orgánulos
8. Células
9. Tejidos
10. Órganos
11. Sistemas
12. Individuos
13. Población
14. Comunidad
15. Ecosistema
16. Biósfera

Dentro de estos niveles, el celular es el nivel más simple de la vida. Por tanto, se distinguen dos tipos de niveles:

• Los niveles 1 al 7 son abióticos (sin vida).
• Los niveles 8 a 16 son bióticos (con vida).

Composición química de los seres vivos

Los elementos presentes en los seres vivos se denominan bioelementos. Las propiedades y abundancia específicas de los distintos bioelementos en los seres vivos permiten formar estructuras más complejas que denominamos moléculas. A diferencia de los bioelementos, algunas de las moléculas que forman parte de los seres vivos, conocidas como biomoléculas, son exclusivas de la materia viva. De hecho, se distinguen dos tipos de biomoléculas: orgánicas e inorgánicas.

A continuación describimos en más detalle los bioelementos y las biomoléculas.

Los bioelementos como base molecular y fisicoquímica de la vida

De acuerdo a la abundancia de los bioelementos en la materia viva, estos se clasifican en:

• Bioelementos primarios: son los elementos más comunes. El carbono, el oxígeno o el nitrógeno son ejemplos de bioelementos primarios.
• Bioelementos secundarios: son elementos que se encuentran en menor proporción. El calcio, el potasio o el magnesio son ejemplos de bioelementos secundarios.
• Oligoelementos: son elementos que se encuentran en una mínima proporción y no en toda la materia viva. El silicio, el cobre o el níquel son ejemplos de oligoelementos.

Biomoléculas orgánicas e inorgánicas

Las biomoléculas se clasifican en:

• Biomoléculas orgánicas: su estructura básica está compuesta de carbono y son exclusivas de los seres vivos.
• Biomoléculas inorgánicas: su estructura básica no se basa en el carbono y no son exclusivas de los seres vivos.

Los cuatro tipos de biomoléculas orgánicas son:

• Los glúcidos
• Las proteínas
• Los lípidos
• Los ácidos nucleicos.

Las biomoléculas inorgánicas más importantes para los seres vivos son:

• El agua
• Las sales minerales, como el cloruro de sodio o el carbonato de calcio.
• Moléculas gaseosas, como el O₂ o el CO₂.

Enlaces químicos

Los átomos de los distintos elementos son capaces de unirse a través de enlaces químicos para formar estructuras más complejas, como las biomoléculas.

Los enlaces químicos entre los átomos de las biomoléculas orgánicas e inorgánicas también determinan las propiedades de la biomolécula. Se pueden clasificar en:

• Enlaces intramoleculares: son enlaces fuertes que implican un cambio químico, es decir, la creación de una nueva biomolécula.
• Enlaces intermoleculares: son enlaces débiles que no implican un cambio químico en las biomoléculas que intervienen.

Los principales enlaces intramoleculares son:

• El enlace iónico
• El enlace covalente

Los principales enlaces intermoleculares son:

• Los enlaces de hidrogeno
• Las fuerzas de Van de Waals.

A continuación describimos en más detalle los distintos tipos de enlaces químicos.

Enlace iónico

Un enlace iónico se produce cuando un compuesto dona o transfiere sus electrones a otro compuesto, generando iones con cargas opuestas que quedan unidos mediante fuerzas electroestáticas. Los enlaces iónicos suelen producirse entre un metal (como el sodio, Na) y un no metal (como el cloro, Cl).

Fig. 3- Enlace iónico.

Enlace covalente

En un enlace covalente no se produce una transferencia de electrones, sino que los electrones se comparten. Para crear un enlace covalente se comparten electrones entre átomos o compuestos no metálicos.

Enlaces covalentes polares

Enlaces covalentes no polares

Enlaces de hidrógeno

Un enlace de hidrógeno es un tipo de interacción débil, que ocurre entre moléculas formadas por un átomo de hidrógeno y un átomo de oxígeno, nitrógeno o flúor. El hidrógeno forma enlaces covalentes polares con cualquiera de los otros átomos, y la distribución desigual de los electrones hace que las moléculas tengan una zona de carga positiva (el hidrógeno) y otra de carga negativa. Por tanto, la zona de carga positiva puede interaccionar con la zona de carga negativa de otra molécula, creando un enlace de hidrógeno.

Fig. 4- Enlaces covalentes polares del amoníaco.

Fuerzas de Van der Waals

Las fuerzas de Van der Waals son interacciones débiles entre átomos o moléculas, debidas a distribuciones desiguales de electrones. Estas distribuciones pueden dar lugar a zonas transitorias de cargas negativas y positivas que permiten a las moléculas interaccionar entre sí.