Estructuras de la vida: química biológica y química orgánica general
Toda la vida está compuesta de materia. La materia puede agruparse en dos formas. Puede estar en forma pura, como un elemento, o en un compuesto.
Elemento: es toda materia que no puede descomponerse en formas más pequeñas y discretas mediante una reacción química. Has oído hablar de elementos como el oro, el hierro, el oxígeno y el nitrógeno.
Compuesto - es cualquier materia que es la combinación de dos o más elementos. Conoces compuestos como el agua (hidrógeno + dos oxígenos), la sal de mesa (sodio + cloro), el vidrio (silicio + oxígeno) y el cloroformo (carbono, hidrógeno y cloro).
Los elementos se enumeran en la tabla periódica, y hay 92 elementos naturales (Fig. 1). Cuatro de los 92 -carbono (C), hidrógeno(H), oxígeno(O) y nitrógeno(N)- son de gran importancia. Juntos representan el 96% de toda la masa de los seres vivos. Estos cuatro elementos, más otros 21, se consideran esenciales para la vida, como el calcio, el potasio, el sodio, etc.
Muchos elementos esenciales sólo se necesitan en pequeñas cantidades y se denominan oligoelementos, como el hierro, el yodo, el cobre y el selenio.
Átomos y ejemplos de química en nuestra vida cotidiana
Losátomos forman los elementos, y a los átomos les confieren sus propiedades únicas las cantidades específicas de partículas subatómicas que contienen. Los átomos solían conocerse como las unidades más pequeñas e indivisibles de los elementos, pero ahora sabemos que no es así. Los átomos son divisibles.
Los átomos están formados por tres partículas sub atómicas: protones y neutrones en el núcleo del átomo (su centro) y 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 masa, los neutrones tienen aproximadamente la misma masa que los protones y los electrones carecen esencialmente de masa.
Los electrones se describen como "en órbita" alrededor del núcleo de un átomo, pero también es importante pensar que los electrones existen en niveles conocidos como envolturas. Las envolturas de los electrones son capas de energía que describen lo lejos o cerca que se encuentra un conjunto de electrones del núcleo de su átomo (fig. 2). Los electrones de valencia se sitúan en la capa de valencia (la capa más externa, la más alejada del núcleo) y tienen la mayor cantidad de energía. Estos electrones de alta energía son los más reactivos y son los primeros electrones que intervienen en las reacciones químicas.
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 sus proporciones relativas de protones, neutrones y electrones.
Masa: es una medida de la materia. La masa de un objeto es la cantidad de materia que contiene, y el peso se considera la cantidad de fuerza sobre una masa determinada debida a la gravedad.
Isótopos - son elementos con diferente número de neutrones. Por ejemplo, el elemento carbono tiene un número másico de 12 = 6 protones + 6 neutrones. Pero el carbono tiene muchos isótopos, como el carbono-11, que tiene 6 protones + 5 neutrones, y el carbono-13, que tiene 6 protones + 7 neutrones.
Iones - no son electroquímicamente neutros; tienen carga. Esto se debe a un número desigual de protones y electrones. Pueden existir varias formas iónicas de un mismo elemento, como el Hierro (Fe), con sus dos iones más comunes: Fe2+ y Fe3+. Los iones también pueden ser compuestos, como el ion sulfato (SO42-) o el ion nitrato (NO3-).
Como los iones tienen carga positiva o negativa, cuando se combinan se forman enlaces. Los enlaces iónicos son uno de los 5 tipos de enlaces que debemos conocer.
Tipos de enlaces químicos
1. Enlace iónico
Un enlace iónico se produce cuando un compuesto dona o transfiere sus electrones a otro compuesto. El compuesto receptor siempre es más electronegativo que el compuesto donante.
Piensa en la electronegatividad como atracción de electrones, o "necesidad de electrones", por lo que el compuesto receptor es más "necesitado de electrones". El compuesto o átomo donante de electrones se convertirá en un catión y tendrá una carga positiva. El receptor de electrones se convertirá en un anión y tendrá carga negativa.
El ion total será neutro neto debido al enlace entre el donante y el receptor.
Aniones = Son iones cargados negativamente y son atraídos por barras cargadas positivamente llamadas ánodos.
Cationes = Son iones cargados positivamente y son atraídos por barras cargadas negativamente llamadas cátodos.
Los enlaces iónicos suelen producirse entre metales (como el sodio, Na) y no metales (como el cloro, Cl), en los que los no metales más electronegativos alejan electrones de los metales donadores de electrones (Fig. 3).
Los metales se convertirán en cationes y el no metal se convertirá en un anión y ambos se unirán mediante un enlace iónico.
2. Enlaces covalentes
Los enlaces covalentes no implican transferencia de electrones, sino intercambio de electrones. Se comparten dos electrones entre átomos o compuestos para formar un enlace covalente.
Enlaces polares covalentes
Los enlaces covalentespolares son aquellos en los que los electrones se comparten, pero no a partes iguales.
En un enlace covalente polar entre dos compuestos, la molécula más electronegativa (que atrae los electrones) atraerá hacia sí la mayoría de los electrones del enlace, y la menos electronegativa obtendrá menos. Los enlaces polares se producen cuando el enlace entre esos dos compuestos no se reparte por igual.
El ejemplo clásico de enlace polar covalente es el agua, pero utilizaremos el amoníaco como ejemplo. El amoníaco tiene la fórmula NH3 y todos sus enlaces son covalentes. Sin embargo, el nitrógeno es más electronegativo que el hidrógeno, por lo que el nitrógeno extrae electrones de estos enlaces covalentes más que el hidrógeno (Fig. 4).
Enlace covalente no polar
Los enlaces covalentes no polares se reparten a partes iguales entre dos átomos o compuestos.
Esto puede ocurrir cuando el compuesto está formado por dos del mismo átomo, como el O2, o cuando un compuesto está formado por átomos con grados similares de electronegatividad (como el metano, CH4).
Los enlaces iónicos son siempre entre metales y no metales, mientras que los enlaces covalentes son siempre entre dos (o más) no metales. Recuerda que no todos los metales son obviamente metálicos, como el oro o la plata. Por ejemplo, ¡el sodio y el potasio son ambos metales!
3. Enlaces de hidrógeno
Los enlaces de hidrógeno son diferentes de los enlaces mencionados anteriormente porque se producen entre moléculas diferentes (enlaces intermoleculares), no dentro de la misma molécula (enlaces intramoleculares).
Un enlace de hidrógeno es una unión o interacción entre un protón (hidrógeno) de una molécula y un átomo electronegativo de otra molécula.
Digamos que hay dos moléculas de agua, llamadas Molécula A y Molécula B. La fórmula química del agua es H2O, y la Molécula A tiene dos hidrógenos unidos covalentemente a su oxígeno. La misma situación se da en la Molécula B.
Las moléculas A y B se acercan lo suficiente como para interactuar. Entonces, un hidrógeno de la Molécula A establece un enlace débil con el oxígeno de la Molécula B. Este enlace es un enlace de hidrógeno, y aunque individualmente es débil, los efectos compuestos de múltiples enlaces de hidrógeno pueden ser bastante fuertes.
4. Fuerzas de Vander Waals
Las fuerzas de Vander Waals son interacciones débiles entre átomos o moléculas, debidas a distribuciones desiguales de electrones. Estas interacciones pueden dar lugar a "puntos calientes" transitorios de cargas negativas y positivas, y son parte de lo que da a las grandes moléculas su forma tridimensional.
El carbono y el papel de la química en nuestra vida cotidiana
¿Por qué destacar el carbono entre otros elementos? El carbono es tan importante que divide la química en dos grandes grupos: laQuímica Orgánica (la química de los compuestos que contienen carbono) y laQuímica Inorgánica (la química de los compuestos que no contienen carbono). La importancia del carbono se debe a las siguientes propiedades químicas:
- Tiene cuatro electrones de valencia
- Esto significa que puede formar hasta cuatro enlaces covalentes, por lo que puede formar parte de grandes compuestos
- Suele ser electroquímicamente estable
- Esto le permite formar cómodamente muchas formas y conformaciones diferentes, como anillos, ramificaciones y cadenas.
El carbono es el principal componente de las cuatro principales macromoléculas de la vida: hidratos de carbono, proteínas, lípidos y ácidos nucle icos. El carbono forma la columna vertebral de sus estructuras químicas.
Esta columna vertebral de carbono se combina con una serie de otros átomos y grupos funcionales para crear monómeros (subunidades individuales más pequeñas de estos compuestos orgánicos) que pueden unirse para crear polímeros de estas macromoléculas.
Para un análisis más profundo de cada macromolécula, ¡haz clic en ella!
Hidratos de carbono
Los hidratos de carbono siempre tienen la siguiente configuración molecular: carbono, hidrógeno y oxígeno, en una proporción 1:2:1 (Fig. 6). Así, para una molécula de hidrato de carbono de seis carbonos, tendríamos la fórmula siguiente C6H12O6. De hecho, ¡ésta es la fórmula de la glucosa!
Proteínas
Las proteínas están formadas por aminoácidos, y hay 20 aminoácidos diferentes. Cada uno tiene un carbono central, con cuatro cosas unidas a él covalentemente: un grupo amino (-NH2), un grupo carboxilo (-COOH), un átomo de hidrógeno y un grupo R (Fig. 7).
Sea cual sea el grupo R, ¡decide qué es el aminoácido!
Lípidos
Lípidos es el nombre de un grupo heterogéneo que incluye esteroides, grasas (también conocidas como triglicéridos), fosfolípidos y aceites. Los lípidos, como los hidratos de carbono, están compuestos de hidrocarburos, pero a diferencia de los hidratos de carbono, no tienen una proporción fija.
Los triglicéridos son la grasa más importante de nuestra dieta, y también el lípido principal de nuestro organismo. Son muy hidrófobos debido a su estructura: un esqueleto de glicerol + tres cadenas de ácidos grasos con largas series de hidrocarburos (Fig. 8).
Ácidos nucleicos
El ADN y el ARN son los dos ácidos nucleicos, y ambos contienen tres elementos:
- Base nitrogenada
- Azúcar pentosa
- Grupo fosfato
Una base nitrogenada es una de las cinco estructuras anilladas. Puede que las hayas visto antes si alguna vez has leído códigos con listas de letras A, C, G, T o U. Estas letras significan las cinco bases nitrogenadas diferentes: adenosina, citosina, guanina, timidina y uracilo.
Un azúcar pentosa es una molécula de hidrato de carbono de cinco lados.
¡Pent- significa forma de 5 lados!
Importancia de la química inorgánica en nuestra vida cotidiana
Si la química orgánica es en gran parte hidrocarburos más determinados grupos funcionales, ¿de qué se compone la química inorgánica?
La química inorgánica implica más enlaces iónicos, entre metales y no metales. La sal que comemos, NaCl, es un compuesto inorgánico. Aunque tiene enlaces covalentes, al no tener moléculas de carbono, el agua también es un compuesto inorgánico.
La química inorgánica es especialmente importante en la industria y la fabricación. Todo, desde los productos farmacéuticos a la tecnología, pasando por los productos de belleza y la metalurgia, implica mucha química inorgánica, y los productos elaborados por estas industrias son los que utilizamos en nuestra vida cotidiana.
Resumen de la química de la vida
Toda la vida está compuesta de materia, que incluye elementos y compuestos. Los compuestos se crean mediante distintos tipos de enlaces químicos. Las reacciones químicas de la vida están dominadas por los cuatro elementos más comunes en los seres vivos: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. De estos cuatro, los hidrocarburos son los más fundamentales en la química orgánica. Podemos ver hidrocarburos presentes en las cuatro macromoléculas principales, los hidratos de carbono -la principal fuente de alimento y energía de los seres vivos-, las proteínas -utilizadas para fabricar desde músculos hasta enzimas-, los lípidos -necesarios para las membranas celulares y para almacenar energía en forma de grasa- y los ácidos nucleicos -que registran y transmiten nuestro material genético.La interacción de la química orgánica con la química inorgánica que vemos en las reacciones de neutralización ácido-base, en la creación de sales, en la oxidación y reducción de metales, permite que se produzca y continúe la vida tal y como la conocemos.La química de la vida - Puntos clave
- La química de la vida implica tanto a la química orgánica como a la inorgánica, y también es importante en biología.
- Existen cuatro tipos de enlaces: covalentes, iónicos, de hidrógeno y fuerzas de Vander Waal.
- Los enlaces pueden ser polares o no polares, en función de la electronegatividad relativa.
- En la química orgánica siempre intervienen compuestos de hidrocarburos, mientras que en la química inorgánica suelen intervenir enlaces iónicos.
- El carbono es la columna vertebral de las cuatro principales macromoléculas de la vida: hidratos de carbono, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos.
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