Los átomos y las moléculas son los materiales de construcción de los cuales se hacen todos los organismos vivos. Todos los organismos vivos dependen de miles de reacciones químicas que se producen continuamente y simultáneamente a lo largo de sus vidas. Están exquisitamente coordinados, constantemente modificados y controlados por el sistema nervioso central, responden continuamente a la retroalimentación de los estímulos internos, se ajustan a los cambios ambientales externos, son dirigidos por miles de instrucciones genéticas y muy influidos por influencias hormonales cuidadosamente equilibradas. Todos estos factores que controlan y dirigen a las criaturas vivientes se basan en interacciones químicas dentro del organismo vivo. Cómo el número limitado de diferentes elementos que componen los muchos trillones de moléculas que llevan a cabo estos procesos increíblemente complejos en todos los organismos vivos, puede lograr funciones tan diversas y al mismo tiempo mantener la estabilidad y la previsibilidad funcional tan esencial para la vida, sigue siendo un misterio sin resolver .
Otra consideración interesante es el hecho de que el material mismo de que se componen los organismos vivos, está constantemente siendo reemplazado por otros átomos similares. Es difícil estimar la tasa de rotación exacta de muchos de los átomos que componen nuestras partes del cuerpo, ya que esto varía mucho de un tejido a otro, y de órgano a órgano, sin embargo, en promedio se reemplazan muchas veces, durante toda la vida . Sabemos que las proteínas dentro de una célula dada se construyen constantemente y se derriban y los aminoácidos básicos se reciclan constantemente. Las células enteras también son reemplazadas constantemente por las más jóvenes. Nuestros glóbulos rojos se reciclan cada 60 a 90 días y el revestimiento endotelial entero del intestino delgado, responsable de la absorción de los nutrientes que necesitamos, se recicla cada cinco días en promedio.
Tipos de enlaces químicos que mantienen las partes juntas
Los enlaces covalentes son, con mucho, los enlaces químicos más fuertes. Los enlaces covalentes se forman cuando hay intercambio o intercambio de uno o más electrones en las capas externas de dos o más átomos separados. Pueden ser individuales, dobles o triples. Los enlaces covalentes dobles más comunes están entre carbono y oxígeno, carbono y nitrógeno, carbono y carbono, y fósforo y oxígeno. El enlace covalente entre el fósforo y el oxígeno es de particular interés ya que es la energía inherente en este enlace que se utiliza para transferir, distribuir y activar esencialmente todas las funciones fisiológicas en todo el reino animal en forma de ATP.
Hay un grupo de enlaces no covalentes que son mucho menos enérgicos pero igualmente importantes. Los enlaces no covalentes son importantes en la estabilización de macromoléculas, manteniendo particularmente su configuración plegada exacta. De estos, los enlaces de hidrógeno son de gran importancia. Se forman principalmente entre hidrógeno y oxígeno y hidrógeno y nitrógeno. Son más fuertes cuando se colocan en una línea recta, sin embargo muy frecuentemente enlaces de hidrógeno angular no lineales contribuyen más eficazmente a la estabilización de la configuración tridimensional, conocida como conformación, de moléculas de proteínas grandes. El plegado preciso de las largas cadenas de aminoácidos que componen muchas proteínas macromoleculares es fundamental para su correcto funcionamiento. El mismo compuesto de proteína puede tener funciones muy diferentes dependiendo de cómo se pliega.
Los enlaces de hidrógeno son extremadamente frecuentes en el agua, tanto cuando contienen iones disueltos como en agua pura. Los enlaces de hidrógeno son generalmente aproximadamente el doble de la longitud de enlaces covalentes entre los mismos elementos. La longitud del enlace covalente entre el hidrógeno y el oxígeno en el agua es aproximadamente de trece nanómetros (nm), mientras que el enlace de hidrógeno entre el hidrógeno y el oxígeno en el agua mide aproximadamente veintisiete nanómetros de longitud. Éstas son longitudes promedio puesto que los enlaces están cambiando constantemente en longitud. Véase la figura 3 a continuación. (Un nm es una milmillonésima parte de un metro.)
Las interacciones de Van der Waals son inespecíficas y se producen entre todos los átomos en estrecha proximidad. Varían en intensidad dependiendo de la distancia entre los núcleos de los átomos adyacentes. La distancia mínima está limitada por el radio de van der Waals que es igual al radio de la esfera atómica ocupada por un núcleo dado y su nube asociada de electrones asociada. La fuerza atractiva de van der Waals aumenta hasta que alcanza un máximo en cuyo punto la repulsión de las nubes de electrones negativamente cargadas superpuestas de los dos átomos equilibra la fuerza de atracción. Esto se conoce como el contacto de van der Waals. La fuerza de esta atracción es pequeña, midiendo en el rango de 1 kcal por mol. (Un kcal equivale a mil calorías.)
Otra fuerza interactiva débil no específica que actúa sobre todos los átomos y moléculas es la causada por la energía térmica. Este es el fenómeno responsable del movimiento browniano que puede observarse indirectamente con la microscopía óptica. Todos los átomos y moléculas situados en un fluido, como en los líquidos y los gases, son sometidos al movimiento browniano. La intensidad del movimiento browniano aumenta con el aumento de la temperatura. El nivel de energía de las interacciones brownianas a la temperatura corporal es ligeramente inferior a 1 kcal por mol.
Finalmente, existen las asociaciones iónicas que ocurren principalmente en soluciones. Estos son muy variables, las atracciones débiles y repulsiones entre iones de diferentes y similares cargas, respectivamente. Varían en función de las concentraciones combinadas de todos los iones en una solución dada.
Fuerzas relativas de los enlaces no covalentes:
-Condicionamiento hidrófobo, se produce en soluciones de agua, dipolo relacionado, muy débil
- Energía térmica, ligeramente inferior a un kcal por mol
- Interacciones iónicas, muy débiles, varían con la concentración de iones en una solución
-Interacciones de Van der Waals , aproximadamente 1 kcal por mol
- Enlaces de hidrógeno, 1 - 5 kcal por mol
Fuerzas relativas de varios enlaces covalentes comunes:
-Hidrólisis del enlace de trifosfato de adenosina (ATP), 7,3 kcal por mol
-Hidrólisis de fosfoéster, enlace gliceril - 3 - fosfato, 2,2 kcal por mol
El momento dipolo del agua
El momento dipolo del agua lo convierte en un excelente disolvente. Por ejemplo, cuando los cristales de cloruro de sodio se colocan en agua, los átomos de sodio y cloruro tienden a disociarse, formando iones que están cargados positivamente y negativamente respectivamente. Debido a que el electrón externo del sodio está sólo débilmente unido y por lo tanto tiende a estar en posesión del ion cloruro, el momento dipolar de la molécula de agua puede contribuir a este proceso atrayendo el ion de sodio cargado positivamente al extremo de oxígeno cargado negativamente del agua Mientras que el extremo de hidrógeno cargado positivamente de la molécula de agua atrae el ion de cloruro negativamente cargado. De manera similar, el agua es capaz de disolver muchos compuestos diferentes, contribuyendo a su estado iónico en solución.
El momento dipolo de la molécula de agua también da lugar a la formación de enlaces de hidrógeno, tanto entre las moléculas de agua como entre el agua y otras moléculas no iónicas como la glucosa, particularmente con el grupo [OH +] en la molécula de azúcar. Al igual que los cristales de sal, los cristales de azúcar se disuelven fácilmente en el agua por este mecanismo ligeramente diferente. Este fenómeno de muchas moléculas de agua que rodean a las moléculas disueltas es conocido por el empaquetamiento hidrofóbico y se produce extensivamente en asociación con las muchas macromoléculas grandes responsables de llevar a cabo las reacciones químicas complejas que soportan la vida. Ellos esencialmente ocurren mientras se disuelven en agua.
El agua líquida es una sustancia altamente dinámica. No sólo las moléculas están en movimiento constante como resultado del movimiento browniano que está directamente relacionado con la temperatura, sino que hay movimiento interno constante dentro de cada molécula de agua en la que los átomos de oxígeno y de hidrógeno se mueven en referencia el uno al otro, causando ligera variación en Sus longitudes de enlace. Existen movimientos simétricos, movimientos asimétricos, movimientos vibratorios y movimientos oscilantes de los átomos de hidrógeno y oxígeno. En general, el movimiento del átomo de hidrógeno es mucho mayor debido a su tamaño y masa relativamente más pequeños. (Véase la figura 3 a continuación).
La presencia de agua en forma líquida es generalmente considerada absolutamente esencial para la vida. En muchos sentidos es el compuesto más notable de la existencia. El oxígeno es absolutamente esencial para la vida tal como la conocemos. El hidrógeno es, con mucho, el elemento más abundante en el universo. Cuando se unen el hidrógeno y el oxígeno, se combinan de forma explosiva para formar agua, que es, con mucho, el retardante de fuego más utilizado, además de proporcionar un entorno único en el que pueden darse los procesos que caracterizan la vida.
Moléculas de agua
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| Figure 3 Traducciónsymmetric stretch= Tramo simétrico Bend=Curva Librations=Libraciones Naturaleza anfotérica del agua
La naturaleza anfótera del agua es su capacidad para actuar como un ácido y una base; Puede donar un protón [H +] que actúa como un ácido, y puede aceptar un [H +], actuando como una base. El agua pura es neutra. Pero el agua pura rara vez se encuentra en la naturaleza. Incluso el agua de lluvia, ya que se condensa en la atmósfera para formar gotitas, y cae a la tierra, disuelve pequeñas cantidades de dióxido de carbono del aire, formando ácido carbónico débil.
H2O + CO2 = H2CO3
Si el amonio está presente en la atmósfera, será disuelto por gotas de lluvia que producen hidróxido de amonio, que es una base débil.
NH3 + H2O = NH4OH
Los átomos de agua pura se disocian en un pequeño grado produciendo cantidades iguales de iones hidronio [H3O + o H +] e iones hidróxido, [OH-].
2 H2O = H3O++ OH-
La concentración de iones hidrógeno [H +] en el plasma sanguíneo es muy baja, midiendo 0,00000004 moles por litro o 4 x 10-8 moles por litro. Para evitar un número tan difícil de manejar, se introdujo el concepto de pH que se define como: pH igual a menos el logaritmo de la concentración de iones hidrógeno, [H +], expresada en moles por litro.
Así, la concentración de iones hidrógeno en plasma, expresada como pH, es igual a 7,4. El rango normal de pH en el plasma sanguíneo humano es de 7,3 a 7,5; El rango de pH compatible con la vida es de 6,8 a 7,8. El pH se controla cuidadosamente principalmente por la frecuencia respiratoria que controla la cantidad de CO2 disuelto en el plasma y los riñones que eliminan el acceso a ácidos o bases generados metabólicamente por un complejo proceso de filtración glomerular y reabsorción tubular renal.
Como resultado, la orina normal tiende a ser ácido con un pH en el rango de 5 a 8. El control preciso de esta estrecha gama del pH del plasma es esencial para la vida ya que un pH anormal puede dar lugar a la desnaturalización de las proteínas, causando el despliegue y la pérdida de la función.
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