Toda la materia que podemos ver en el Universo, incluida la que forma los seres vivos, está constituida por átomos. Unos cuantos átomos, de todos los que existen en la naturaleza reúnen unas características que han posibilitado, mediante su combinación e interacción, formar innumerables compuestos que constituyen la esencia de la estructura y actividad de las diferentes formas de vida que hoy conocemos. Sabemos que el átomo es la unidad estructural que justifica la química de cualquier sistema, así pues, conocer la estructura del átomo se hace indispensable de cara a analizar tanto las estructuras como las innumerables reacciones químicas que constituyen los sistemas vivos.
Los átomos: su estructura justifica su interacción química y todas las propiedades que explican su comportamiento en la materia.
De todos los elementos químicos que se han encontrado como constituyentes de la materia son seis de ellos los que han sido capaces de agruparse y formar combinaciones que constituyen prácticamente el 99% de toda la materia de los seres vivos: Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O), Nitrógeno (N), Fósforo (P) y Azufre (S). Por tanto, estos seis tipos de átomos han sido capaces de llegar a un grado tal de compleja organización que les hace ser, prácticamente, los responsables últimos de todos los procesos químicos que constituyen la “vida”.
Además de estos seis elementos mencionados, existen algunos otros bioelementos que aparecen y son imprescindibles en todas las formas de vida conocidas (Na, K, Ca, Mg y Cl) y que constituyen prácticamente el 1% restante.
Por otra parte, existen algunos elementos más (Fe, Cu, Zn, Mn, I, Ni, Si, F, ...) que desempeñan funciones esenciales en los procesos bioquímicos, pero que se encuentran en cantidades muy bajas (trazas). De esos últimos algunos están presentes en todos los seres vivos, pero otros aparecen sólo en algunos.
Materia:
Todo aquello que tiene una masa y ocupa un espacio.
Elemento químico:
Sustancias puras compuestas por un único tipo de átomos y que no pueden descomponerse en variedades más simples de materia.
Átomos:
la partícula más pequeña de un elemento que conserva las propiedades de ese elemento. Son las unidades estructurales básicas constituyentes de toda la materia
Autora: Mercedes de la Fuente UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA 1
Figura 1. Imagen adaptada de The Particles Adventure:
Fundamental Particles and Interactions, 2006; Particle Data Group del Lawrence Berkeley National Laboratory (EEUU)
http://www.cpepweb.org/particles.html
El conocimiento de la estructura del átomo se hace imprescindible, ya que en ella reside la esencia del comportamiento químico de toda la materia.
En el átomo podemos encontrar dos zonas:
- El núcleo: región cuya principal característica es que presenta carga eléctrica positiva. En él encontramos dos tipos de partículas: protones y neutrones.
- Región externa al núcleo donde encontramos los electrones (con carga eléctrica negativa).
De las tres partículas subatómicas mencionadas, a los electrones se les considera partículas fundamentales. No es así a los protones y a los neutrones, ya que actualmente se sabe que, a su vez, están formados por otras partículas, que sí se consideran fundamentales y que se han denominado quarks. Por tanto, podemos decir que toda la materia visible del universo, incluyendo la de los seres vivos está formada por unas partículas fundamentales denominadas quarks y electrones.
Desde un punto de vista químico, las propiedades de un átomo se pueden describir en función del número de protones, neutrones y electrones. Por tanto, para avanzar en nuestro conocimiento de la estructura química del átomo nos quedamos con:
- los protones, que son partículas subatómicas situados en el núcleo atómico, que tienen carga eléctrica positiva (+1) y que a su vez están constituidas por unas partículas fundamentales que se han denominado quarks.
- los neutrones, partículas subatómicas también situadas en el núcleo atómico, sin carga, y de masa similar a la de los protones. También están constituidas por quarks y, por último,
- los electrones, partículas fundamentales que se sitúan alrededor del núcleo y tienen carga negativa (-1).
En un átomo neutro, el número de protones debe ser igual al número de electrones
La carga eléctrica de los protones y los electrones es igual y de signo contrario.
Se ha fijado como unidad de carga la carga de un protón o de un electrón. Por tanto decimos que sus cargas son, respectivamente, +1 y -1.
Resulta obvio que, en un átomo neutro, el número de electrones debe ser igual al número de protones.
Lo que determina el tipo de átomo es el número de protones
Cada uno de los diferentes elementos químicos está constituido por un único tipo de átomo. El tipo de átomo viene determinado por el número de protones que haya en su núcleo. Así por ejemplo, los átomos con un protón son los átomos de hidrógeno; con dos protones, los átomos de Helio; con tres protones, los átomos de Litio, etc.
Al número de protones que un átomo tenga en su núcleo es a lo que denominamos número atómico (Z).
Núcleo atómico:
Región del átomo, con carga positiva, formada por protones y neutrones
Electrones:
Partícula fundamental subatómica, con carga negativa (-1).
Protones:
Constituyentes del núcleo atómico, con carga positiva (+1), formados por quarks.
Neutrones:
Constituyentes del núcleo atómico, con carga neutra, formados por quarks.
Quarks:
Partícula fundamental subatómica. Podemos encontrar 6 tipos de quarks. Combinaciones de dos de ellos (quarks up y quarks down) son los que forman los protones y los neutrones.
Unidad de carga:
La carga que posee un electrón, que es igual y de signo contrario a la de un protón
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Figura 2. Esquema de la representación que caracteriza a un átomo (ejemplo: átomo de carbono-12). (En muchas ocasiones se suprime de la representación el número atómico, ya que este ya está implícito en el símbolo del elemento
La masa atómica y el número másico
Las masas de los átomos se han establecido de forma relativa: se comprobó, por ej. , que el átomo más ligero era el H, y que el átomo de carbono, C, pesaba aproximadamente 12 veces más que el átomo de H, el átomo de oxígeno 16 veces más, etc.
Para establecer las masa atómicas relativas de todos los átomos se decidió tomar como referencia el átomo de carbono-12 (12C), asignándole una masa de valor 12 unidades. A estas unidades es a lo que se denominó unidades de masa atómica (uma).
Así, actualmente decimos que: el átomo de C tiene una masa de 12 uma (aprox.); el H 1 uma (aprox.), el oxígeno 16 uma (aprox.), etc. En bioquímica se suele usar como unidades de masa atómica el Dalton (D): 1 Dalton = 1 uma.
Prácticamente toda la masa de un átomo está concentrada en ese pequeñísimo espacio que ocupa el núcleo atómico. Se ha podido comprobar que las masas de los protones y de los neutrones, que son prácticamente iguales entre sí, son, a la vez, del orden de 1840 veces superiores a la masa del electrón.
Además sabemos, que en nuestra escala relativa de masas, el átomo de 1H (con 1 protón y ningún neutrón en su núcleo) tiene 1 uma (1 Dalton) de masa: es decir, la masa de 1 protón será aproximadamente 1 uma. Luego, con estos datos (masa de protones y neutrones aproximadamente igual y ambas próximas a la unidad de masa atómica) podemos concluir que la masa de un átomo será prácticamente igual a la suma del número de protones y de neutrones que lo compongan.
A la suma del número de protones y de neutrones es a lo que denominamos número másico (A).
Diferente número de neutrones determina la presencia de diferentes isótopos dentro de un mismo tipo de átomos
Los neutrones son partículas sin carga, pero, como acabamos de ver, su masa es similar a la del protón. En muchos de los diferentes elementos químicos existen átomos que presentan diferente número de neutrones en su núcleo. Es decir, existen átomos que aun siendo del mismo tipo (igual número de protones o número atómico) tienen diferente número de neutrones. Esto implica que existirán, dentro de ese elemento, átomos cuya masa sea ligeramente diferente, y que denominamos isótopos. Así, por ejemplo: para el átomo de hidrógeno se han encontrado tres isótopos distintos:
. el más abundante en la naturaleza (el que no presenta ningún neutrón): 1H, . además existen átomos de H con 1 neutrón: 2H (deuterio), y
. átomos con dos neutrones: 3H (tritio).
Teniendo en cuenta la presencia de isótopos, la masa atómica de un elemento será la masa atómica ponderada de los diferentes isótopos, medida en unidades de masa atómica (uma ó D).
Por ejemplo: existen tres isótopos para el carbono. Sus abundancias relativas son 98,892% para 12C, 1,108% para 13C y una cantidad despreciable de 14C. La masa atómica del carbono será por tanto:
MAC = (0,98892) x (12 uma) + (0,01108) x (13,00335 uma) = 12,011 uma
Número atómico (Z):
Número de protones presente en los núcleos de los átomos de un
determinado elemento. Lo representamos con la letra Z.
Número másico (A):
Suma del número de protones (Z) y del número de neutrones (N) presente en los núcleos de un determinado átomo. Lo representamos con la letra A.
Masa atómica relativa:
Masa de un átomo de un elemento, referida a la del
12C (=12 uma), expresada en unidades de masa atómica.
Unidad de masa atómica (uma) (igual a Dalton):
La doceava parte de la masa del átomo de carbono-12 (12C).
Isótopos:
Átomos con igual número de protones (por tanto del mismo tipo) pero con diferente número de neutrones (igual número atómico, pero diferente número másico).
Masa atómica de un elemento:
Masa atómica ponderada de los diferentes isótopos que existen en ese elemento.
Autora: Mercedes de la Fuente UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA 3
Interacciones entre átomos: moléculas e iones
Los átomos, las unidades estructurales químicas que forman la materia, muy raras veces los encontraremos solos. Por el contrario: tratarán de agruparse formando moléculas u otros tipos de agregados. Como resultado de estas interacciones, los átomos comparten o intercambian sus electrones:
- Si dos átomos comparten 2, 4 o 6 electrones, como resultado de esta interacción se forma un enlace entre ambos átomos (sencillo, doble o triple, respectivamente) que denominados enlace covalente.
- Si uno de los dos átomos tiene mucha avidez por los electrones (carácter fuertemente electronegativo) y el otro, por el contrario tiene mucha facilidad para cederlos (muy baja electronegatividad), en lugar de compartir los electrones se da un intercambio: un átomo capta un electrón de otro que se lo cede. Como resultado de este tipo de interacción decimos que se ha formado un enlace iónico entre ambos.
En medio de estos dos casos extremos existe todo una gradación. Desde el reparto de los electrones al 50% entre los dos átomos enlazados (enlace covalente puro), hasta el intercambio total de electrones (enlace iónico), todas las situaciones de reparto no equitativo de los electrones son posibles: es decir, los electrones son compartidos, pero la carga recae más parcialmente en uno de los dos átomos del enlace que en el otro (enlace covalente con cierta polaridad).
Figura 3. Estructura de una molécula de agua (H2O)
Figura 4. Estructura de la forma cristalina del Cloruro sódico
De las formas de agrupación entre átomos que encontramos en la materia biológica, la más frecuente y fundamental son las moléculas: combinaciones de átomos, enlazados de forma covalente, y que forman unidades discretas (ej: H2O, O2, glucosa, etc…). A las moléculas específicas de la materia biológica las denominamos biomoléculas. Debemos destacar la importancia del carbono, integrante común a todas ellas, átomo cuyas propiedades han permitido la gran variedad de estos compuestos biológicos, circunstancia que ha hecho posible la existencia de la vida.
Por otra parte, también van a ser de gran importancia en los sistemas biológicos la presencia de sales. Estas sales son compuestos iónicos, caracterizados por ser agregados de átomos unidos por enlaces iónicos, es decir: habrá átomos que hayan cedido uno o más de sus electrones y otro u otros que los hayan captado. Estos agregados no forman unidades discretas, como era el caso de las moléculas, sino redes continuas en las que se van alternando los iones que forman el compuesto.
Estas sales, cuando se disuelven en agua, se disocian en los iones que las constituyen. Por ejemplo: cuando se disuelve NaCl (cloruro sódico) en agua encontraremos en la disolución iones positivos (cationes) Na+ e iones negativos (aniones) Cl- solvatados (rodeados por moléculas de agua).
La existencia de iones en los seres vivos resulta esencial para el mantenimiento tanto de estructuras como de determinadas funciones asociadas a éstas. Entre los iones más frecuentes hallados en los seres vivos nos encontramos con Na+, K+, Cl-, Mg2+, Ca2+, HCO3
-, H2PO4 -.
Enlace covalente Unión entre dos átomos compartiendo un par o más de electrones
Enlace iónico
Unión entre dos átomos, uno de ellos capta un electrón (elevada electronegatividad) desde otro átomo que lo cede (baja electronegatividad)
Moléculas
Unidades discretas de átomos, unidas de forma covalente
Compuestos iónicos:
Formados por átomos unidos mediante enlaces iónicos. En disolución acuosa se disocian en sus iones
Biomoléculas
Moléculas constituyentes de la materia biológica.
Son moléculas orgánicas.
Moléculas orgánicas Moléculas en cuya composición interviene el carbono y están
relacionadas con la materia biológica.
Iones
Partícula con exceso de carga positiva o negativa
Cationes
Iones en los que el exceso de carga es positiva (defecto de electrones)
Aniones
Iones en los que el exceso de carga es negativa (exceso de electrones)
Enlace de Hidrógeno Interacción entre un átomo de hidrógeno y un átomo muy electronegativo y pequeño. El átomo de hidrógeno debe, por otra parte, estar también unido covalentemente a un átomo muy electronegativo (Cl, N, O).
Otras interacciones de especial interés en el mantenimiento de las estructuras y en prácticamente todos los procesos bioquímicos que tienen lugar en los seres vivos son los enlaces de Hidrógeno. Estos pueden darse dentro de una misma molécula (intramoleculares) o entre dos moléculas diferentes (intermoleculares). Se trata de interacciones más débiles y caracterizadas por la unión de un átomo de H, a otro átomo muy electronegativo y pequeño. El átomo de hidrógeno tiene que estar enlazado covalentemente a un átomo muy electronegativo (en moléculas biológicas: Cl, N, O).
Autora: Mercedes de la Fuente UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA 4
Hechos destacables y otras curiosidades...
Isótopos menos abundantes e isótopos radiactivos
El hecho de que las propiedades químicas de los isótopos de un mismo elemento sean las mismas (igual numero atómico, igual número de electrones) hace que, desde un punto de vista químico, unos puedan ser sustituidos por otros sin alterar las propiedades de los sistemas en los que intervienen.
Algunos isótopos, que poseen elevado número de neutrones en su núcleo, resultan inestables, por lo que tienden a desintegrarse, transformándose en otros isótopos más estables, mediante la liberación de partículas o radiaciones de alta energía. A estos isótopos se les denomina radioisótopos o isótopos radiactivos. El ritmo de desintegración puede medirse: para cada isótopo existe un tiempo de vida media (tiempo en que tarda una cantidad de isótopos en disminuir su número a la mitad). Las aplicaciones de isótopos radiactivos en biología son muy variadas e interesantes (aunque en la medida que es posible se va tratando de reemplazar la radiactividad por otras técnicas menos problemáticas). Entre las aplicaciones más importantes podemos citar la datación de muestras de lo que algún día fueron organismos vivos mediante la determinación de la cantidad de 14C que queda actualmente en el ejemplar, o el estudio de procesos bioquímicos mediante la introducción de moléculas con un marcaje isotópico concreto, que permite su seguimiento y detección en las rutas metabólicas. También se utilizan los isótopos radiactivos en medicina nuclear, tanto para el seguimiento del modo de acción de medicamentos, la obtención de imágenes de tejidos o células gracias a la incorporación de moléculas con isótopos radiactivos, o incluso con fines terapéuticos, como es el caso de radioterapia con fósforo-32 (32P) o el tratamiento de hipertiroidismo con
131I.
No sólo los isótopos radiactivos son de utilidad en biología. El enriquecimiento de muestras con los isótopos estables menos abundantes de los átomos ha permitido resolver grandes enigmas de los materiales biológicos. Un ejemplo de ello lo constituye el experimento de Meselson y Stahl, que permitió establecer el carácter semiconservativo de la replicación del ADN mediante enriquecimiento de las muestras con 15N, isótopo menos abundante que el 14N, pero más pesado.
Un ejercicio…
En una molécula…
a) los átomos de uno o varios elementos pueden estar unidos sólo mediante enlaces covalente
b) los átomos de varios elementos pueden estar unidos sólo mediante enlaces iónicos c) los átomos de uno o varios elementos pueden estar unidos por enlaces covalente y
enlaces de hidrógeno
d) los átomos de varios elementos pueden estar unidos por enlaces covalente y enlaces de hidrógeno
Solución: Una molécula son unidades discretas de átomos de uno o varios elementos unidos por enlaces covalentes. Por ejemplo: O2 (molécula de oxígeno), O3 (molécula de ozono), o C6H12O6 (formula molecular de la molécula de glucosa). Dentro de una molécula pueden existir enlaces de hidrógeno entre distintos átomos de la misma, siempre que en ésta existan átomos de hidrógeno unidos covalentemente a otro átomo muy electronegativo (por ejemplo, Cl, O o N) y sea susceptible de interaccionar con otro átomo electronegativo de la misma molécula. Estos enlaces de hidrógeno se dan con mucha frecuencia en biomoléculas, como por ejemplo, en las proteínas. Cuando los átomos de varios elementos se unen mediante enlaces iónicos, el resultado no son unidades discretas, como las moléculas, sino grandes redes de iones interaccionando, como por ejemplo el caso del Cloruro sódico (NaCl).
Otro ejercicio + solución
El litio consta de dos isótopos estables 6Li (MA
6Li=6,015 D) y 7Li (MA
7Li=7,016 D), cuya abundancia relativa es 7,59% y 92,41%, respectivamente. ¿Cuál es la masa atómica del Litio?
Solución: MA Li= 6,94 D
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