Átomos, moléculas y enlaces químicos

Elementos químicos.

La materia existe en tres estados: sólida, líquida o gaseosa.

Algunos objetos sólidos, como huesos y dientes, tienen formas y tamaños específicos. Los fluidos, al igual que la sangre, no tienen un tamaño específico sino la forma de su recipiente. Los gases, como el oxígeno, no tienen forma ni tamaño específicos.

Todo lo que hay en la Tierra, vivo o no, está formado por un número limitado de cosas llamadas elementos químicos. Hay 117 de estos elementos, pero sólo 92 se encuentran de forma natural en la Tierra. Los científicos han creado otros utilizando maquinaria especial.

En nuestro cuerpo existen 26 elementos químicos (Tabla 1) diferentes. Cuatro de ellos, oxígeno, carbono, hidrógeno y nitrógeno, son los más importantes y constituyen el 96% de nuestro organismo. Los otros ocho elementos, como el calcio y el potasio, son menos importantes, pero siguen siendo necesarios. Hay otros 14 elementos muy pequeños llamados oligoelementos que también están presentes en nuestro cuerpo, aunque en cantidades muy pequeñas. Algunos de ellos cumplen funciones importantes, como el yodo, que contribuye a la producción de hormonas en nuestra glándula tiroides.

Átomos.

Los átomos son como los componentes básicos de los elementos químicos. Imaginemos que los átomos son como pequeños sistemas solares. En el centro hay un núcleo atómico similar al sol, alrededor del cual orbitan partículas llamadas electrones similares a los planetas.

Hay dos tipos de partículas en el núcleo atómico. Uno es el protón, que es como un pequeño imán con carga positiva, y el otro es el neutrón, que es neutro como si no tuviera carga. Los electrones que orbitan alrededor del núcleo están cargados negativamente (Figura 1).

Molécula.

Las moléculas surgen cuando los electrones de valencia de dos o más átomos interactúan entre sí. Estas interacciones, como compartir electrones, resultan en la formación de enlaces químicos. Un ejemplo claro es la molécula del oxígeno, que está compuesto por dos átomos de oxígeno O₂ (Figura 2).

Compuesto.

Un compuesto es una sustancia química formada por la unión de dos o más elementos diferentes en proporciones fijas. En otras palabras, es la combinación de átomos de distintos elementos que se unen entre sí mediante enlaces químicos (Figura 3).

Radical libre.

Una radical libre es un átomo, molécula o ion que tiene al menos un electrón no emparejado. Esto hace que sea altamente reactivo, ya que busca estabilizarse tomando o compartiendo electrones con otras sustancias (Figura 4).

Enlace químico.

Un enlace químico es una fuerza que une dos o más átomos para formar una molécula o compuesto (Figura 5). Los átomos se combinan para crear configuraciones electrónicas más estables. Hay tres tipos principales de enlaces químicos:

1. Enlaces iónicos: Ocurren cuando un átomo dona un electrón a otro átomo. Esto crea iones con cargas opuestas que se atraen y se unen entre sí. Un ejemplo común es la conexión entre metales y no metales.
2. Enlaces covalentes: Ocurren cuando dos átomos comparten electrones. En este tipo de enlace, los átomos comparten electrones para completar una capa electrónica externa, lo que da como resultado una configuración más estable. Los compuestos covalentes son no metales típicos.
3. Enlaces metálicos: Ocurren en metales donde los electrones se mueven libremente entre los átomos, formando una «nube» de electrones. Esto confiere al metal propiedades únicas, como la conductividad eléctrica y la maleabilidad.
4. Enlaces de Hidrógeno: Son enlaces más débiles que se forman entre un átomo de hidrógeno unido a un átomo electronegativo (como oxígeno, nitrógeno o flúor) y otro átomo electronegativo en una molécula diferente.

Compuestos orgánicos.

Un compuesto orgánico contiene carbono, generalmente en combinación con hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y otros elementos. Estos compuestos son la base de la química orgánica y son fundamentales para los seres vivos. Aunque el carbono es esencial para la definición de compuestos orgánicos, no todos los compuestos que contienen carbono son considerados orgánicos. Por ejemplo, carbonatos y cianuros son excepciones.

Los compuestos orgánicos se encuentran en una amplia variedad de formas y cumplen funciones críticas en la biología y la química de la vida.

Ejemplos comunes de compuestos orgánicos:

1. Hidrocarburos: Compuestos formados solo por átomos de carbono e hidrógeno, como los alcanos, alquenos y alquinos.
2. Compuestos aromáticos: Moléculas que contienen anillos de carbono, como el benceno.
3. Ácidos grasos: Componentes de lípidos y aceites.
4. Proteínas: Grandes moléculas formadas por cadenas de aminoácidos, que contienen carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno.
5. Vitaminas: Compuesto esencial para el funcionamiento adecuado del cuerpo, se clasifican en liposolubles (A, D, E, K) e hidrosolubles (B12, B6, C).
6. Glúcidos (carbohidratos): Compuestos como glucosa y almidón.
7. Ácidos nucleicos: ADN y ARN, que llevan la información genética.

Compuestos inorgánicos

Un compuesto inorgánico no contiene carbono e hidrógeno y no se deriva de organismos vivos. Aunque hay algunas excepciones, en general, los compuestos inorgánicos no están asociados con la química de la vida. Estos compuestos pueden incluir una amplia variedad de sustancias, como sales, ácidos, bases, óxidos y muchos minerales.

Ejemplos comunes de compuestos inorgánicos:

1. Cloruro de sodio (NaCl): Sal de mesa.
2. Óxido de zinc (ZnO): Utilizado en cremas solares y polvos para bebés.
3. Ácido sulfúrico (H2SO4): Un ácido fuerte utilizado en la industria química.
4. Agua (H₂O): Aunque contiene hidrógeno y oxígeno, se clasifica como inorgánica debido a su importancia en la química inorgánica.

Electrolitos, ácidos, bases y sales.

Electrolitos

Definición: Los electrolitos son sustancias que, al disolverse en agua, se descomponen en iones cargados eléctricamente, permitiendo que la solución conduzca electricidad.

Ejemplos: Iones en soluciones de ácidos, bases y sales.

Importancia: Los electrolitos son esenciales para funciones biológicas, como la conducción de señales nerviosas y la contracción muscular.

Ácidos

Definición: Un ácido es una sustancia que puede liberar protones (iones de hidrógeno, H⁺) cuando se disuelve en agua.

Ejemplos: Ácido clorhídrico (HCl) en el estómago, ácido acético en el vinagre.

Características: Los ácidos pueden tener un sabor agrio y son corrosivos en concentraciones elevadas.

Bases

Definición: Una base es una sustancia que puede aceptar protones (iones de hidrógeno, H⁺) o liberar iones hidroxilo (OH^–) cuando se disuelve en agua.

Ejemplos: Hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido de amonio (NH₄OH).

Características: Las bases pueden tener un sabor amargo y suelen ser resbaladizas al tacto.

Sales

Definición: Una sal es un compuesto iónico formado por la combinación de un ácido y una base. Cuando un ácido reacciona con una base, se produce una sal y agua.

Ejemplos: Cloruro de sodio (NaCl), sulfato de calcio (CaSO₄).

Características: Las sales generalmente tienen un sabor salado y son sólidas a temperatura ambiente.

Concepto de pH.

El equilibrio ácido-base se refiere a la tendencia de las sustancias químicas llamadas ácidos y bases para equilibrarse entre sí en una solución acuosa. Esta interacción está gobernada por el concepto de pH, que mide la acidez o basicidad de una solución. El pH se mide en una escala (Figura 6) que va de 0 a 14, donde:

• Un pH de 7 es neutral.
• Un pH por debajo de 7 indica acidez (valores más bajos son más ácidos).
• Un pH por encima de 7 indica basicidad o alcalinidad (valores más altos son más básicos).

El equilibrio ácido-base está asociado con la transferencia de protones (iones de hidrógeno, H⁺) entre sustancias.

Fisiología celular.

La fisiología celular es una rama de la biología que se centra en el estudio de las funciones y procesos que ocurren en las células, las unidades más pequeñas de los organismos vivos.

A continuación, se presentan algunos conceptos importantes para comprender la fisiología celular.

Membrana celular. Todas las células tienen una membrana celular que rodea y protege su contenido interno. Esta membrana regula el paso de sustancias dentro y fuera de la célula, controlando así el ambiente interno.

Citoplasma. La región entre la membrana y el núcleo celulares. Contiene orgánulos como las mitocondrias, el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi que realizan funciones específicas.

Núcleo. El núcleo de las células eucariotas contiene ADN, el material genético que dirige la síntesis de proteínas y controla las actividades celulares. En las células procariotas, el material genético se distribuye en el citoplasma.

Replicación del ADN. Antes de que una célula se divida, su ADN se replica para garantizar que cada célula hija reciba una copia completa de su material genético.

Transcripción y traducción. La información genética del ADN se transcribe en ARN mensajero (ARNm), que luego se traduce en proteínas. Este proceso es esencial para la síntesis de proteínas que desempeñan funciones importantes en la estructura y función celular.

Respiración celular. Este es el proceso mediante el cual las células utilizan el oxígeno para obtener energía a partir de nutrientes como la glucosa. La respiración celular ocurre en las mitocondrias y produce ATP, la principal fuente de energía celular.

Fotosíntesis. En las células vegetales y en algunas bacterias, la fotosíntesis convierte la energía solar en energía química y la almacena en forma de glucosa. Este proceso tiene lugar en los cloroplastos.

Homeostasis. Las células mantienen un ambiente interno constante y controlan variables como la concentración de iones, la temperatura y el pH. Esto se logra a través de una variedad de mecanismos regulatorios.

Transporte celular. Las células necesitan intercambiar materiales con su entorno. Este intercambio se produce mediante procesos como la difusión, la ósmosis y el transporte activo.

División celular. Las células se dividen mediante procesos como la mitosis (en células somáticas) y la meiosis (en células sexuales o gametos) para permitir el crecimiento, la reparación y la reproducción.

Estos son sólo algunos de los aspectos fundamentales de la fisiología celular. La coordinación de estos procesos es fundamental para el buen funcionamiento de los organismos vivos (Figura 7).

Líquidos intracelular y extracelular.

El cuerpo humano está dividido en grandes compartimentos de líquidos: líquido intracelular y líquido extracelular. Estos compartimentos están separados por membranas celulares y son esenciales para el buen funcionamiento del organismo.

Líquido intracelular (LIC)

Ubicación: Presente dentro de la célula.

Composición: Constituye aproximadamente entre el 60 y el 70 % del agua total del cuerpo. Contiene iones, proteínas, nutrientes y orgánulos necesarios para funciones celulares específicas.

Función: Proporciona un entorno interno para los procesos celulares.

Almacena nutrientes y metabolitos.

Promueve reacciones químicas dentro de las células.

Contribuye a la forma y estructura celular.

Líquido extracelular (LEC)

Ubicación: Ubicado fuera de la célula y compuesto por varios sub-compartimentos que incluyen:

• Plasma: El componente líquido de la sangre.
• Líquido intersticial: El líquido que rodea y envuelve las células de los tejidos.
• Líquido cefalorraquídeo: Se encuentra en el cerebro y la médula espinal.
• Líquido sinovial: Intraarticular.
• Jugo gástrico: En el estómago.

Composición: Contiene agua, electrolitos, nutrientes y otras sustancias disueltas. La configuración puede variar ligeramente según el sub-compartimento.

Función:

• Facilita el intercambio de nutrientes y desechos entre células y capilares.
• Contribuye a la homeostasis transportando sustancias por todo el organismo.
• Interviene en la amortiguación y protección de órganos y tejidos.

El equilibrio correcto de los líquidos intracelulares y extracelulares es importante para mantener la homeostasis y asegurar el funcionamiento óptimo del organismo. Los mecanismos de transporte celular, como la difusión y el transporte activo, regulan el movimiento del agua y los solutos entre estos compartimentos para mantener concentraciones adecuadas y promover la función celular y sistémica. La regulación precisa de estos compartimentos es fundamental para la supervivencia y el funcionamiento adecuado del cuerpo humano (Figura 8).

Mecanismos de transporte celular.

Los mecanismos de transporte celular son los procesos mediante los cuales las células intercambian sustancias con su entorno. Estos mecanismos permiten que moléculas e iones entren y salgan. Esto es esencial para mantener el equilibrio intracelular y la homeostasis (Figura 9).

Los mecanismos de transporte celular más importantes son:

Difusión simple. Las moléculas se mueven directamente a través de la membrana celular desde áreas de alta concentración a áreas de baja concentración.

Ejemplo: Difusión de gases como oxígeno y dióxido de carbono a través de las membranas celulares.

Difusión facilitada. Las moléculas cruzan membranas con la ayuda de proteínas de transporte. Esto se ve facilitado por proteínas de canal o proteínas de transporte.

Ejemplo: Transporte de glucosa a través de las membranas celulares mediante transportadores de glucosa.

Ósmosis. Este es un tipo de difusión en el que el agua se mueve a través de la membrana celular desde un área de baja concentración de soluto a un área de alta concentración de soluto.

Ejemplo: Absorción de agua por las células del intestino.

Transporte activo. Se requiere energía (generalmente en forma de ATP) para mover moléculas a través de una membrana contra un gradiente de concentración.

Ejemplo: Una bomba de sodio-potasio que mantiene diferentes concentraciones de sodio y potasio dentro y fuera de la célula.

Endocitosis. Las células absorben partículas grandes, líquidos e incluso otras células formando vesículas a partir de la membrana celular.

Ejemplos: Fagocitosis, donde las células «comen» partículas sólidas, y pinocitosis, donde las células absorben líquidos.

Exocitosis. Fusión de vesículas y membranas celulares libera sustancias desde el interior de la célula hacia el exterior.

Ejemplo: Liberación de hormonas o neurotransmisores.

Referencias.

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