TEMA 1: INTRODUCCIÓN. CONCEPTOS BÁSICOS.

TEMA 1: INTRODUCCIÓN. CONCEPTOS BÁSICOS.

1. Átomos y moléculas.

Los bioelementos son el conjunto de átomos que componen la materia orgánica. Los más importantes son el carbono, el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno y en menor medida el fósforo y el azufre. Estos átomos se componen de protones, que determinan el número atómico, neutrones, de la misma masa que los protones y que determinan el isótopo, y electrones, que hacen posible la formación de moléculas (mediante enlaces).

Una molécula es el conjunto de dos o más átomos enlazados covalentemente que forman un sistema estable y eléctricamente neutro. La capacidad de los átomos para formar estos enlaces depende del número de electrones que tengan en la capa de valencia. Los elementos con ocho electrones en su capa de valencia se conocen como gases nobles y no forman moléculas, puesto que ya son totalmente estables de por sí. El resto de elementos se rigen por la regla del octeto a la hora de formar enlaces: buscan la estabilidad compartiendo átomos (formando enlaces llamados covalentes) para llegar a tener un total de ocho electrones.

Sin embargo, hay elementos que atrae con más fuerza los electrones. La electronegatividad es la capacidad de un átomo para atraer electrones hacia su núcleo (con el fin de conseguir ocho electrones en su capa de valencia). Un elemento es más electronegativo cuanto más arriba y a la derecha esté en la tabla periódica. En función de la electronegatividad, podemos hablar de enlaces y moléculas polares cuando existe una densidad de carga δ (cuando los electrones de enlace están más cerca de uno de los átomos), que pueden formar puentes de hidrógeno con el agua y que son, por tanto, solubles en ella; y de enlaces y moléculas apolares (cuando los electrones de los enlaces están a una distancia intermedia) o hidrófobas, que no son solubles en agua.

Las biomoléculas son, por tanto, un grupo de moléculas que forman los seres vivos y cuyo componente principal es el carbono. Las principales biomoléculas son:

• Los glúcidos o hidratos de carbono.
• Los lípidos.
• Las proteínas.
• Los ácidos nucleicos.

La razón por al que el carbono es el componente principal de las biomoléculas es que se trata de un elemento que forma enlaces muy fuertes y estables con distribución tetraédrica, dando lugar a grandes polímeros al formar cadenas carbonadas (lineales, ramificadas o cíclicas) que alternan enlaces simples, (con libertad de giro) dobles y triples (al estar dotado de enlaces híbridos sp3 dispuestos de forma tetraédrica).

1. Agua, polaridad y pH.

El agua es una molécula fundamental para el ser humano, ya que todas las moléculas presentes en su interior están en medio acuoso. De hecho, el 70% de la masa corporal está compuesta por agua. Por su estructura, debería ser un gas (como el NH3, el CH4 o el H2S), pero la existencia de puentes de hidrógeno que se forman y rompen continuamente entre las moléculas debido a su polaridad (por ser el oxígeno mucho más electronegativo que el hidrógeno) hace que su temperatura de evaporación sea mucho más alta.

Además de su condición líquida, los puentes de hidrógeno confieren al agua las siguientes propiedades:

• Elevada viscosidad (alta cohesión entre sus moléculas).
• Gran tensión superficial (se resiste a aumentar su superficie, lo que permite la formación de gotas).
• Elevada constante dieléctrica (permite la disociación de la mayoría de las sales inorgánicas).
• Es un buen tampón de temperatura (amortiguador, ya que necesita mucho calor para evaporarse).
• A temperaturas bajas, los puentes de hidrógeno se vuelven fijos (cuatro en cada molécula) formando redes sólidas de gran volumen. Esto hace que el hielo sea menos denso que el agua, lo que le permite flotar.

Esta propiedad del agua es fundamental para la existencia de la vida submarina.

Ionización del agua.

En ocasiones, aunque en una proporción muy pequeña, el agua cede un protón y se ioniza, pudiendo actuar como base o ácido (molécula anfótera):

2H2O → OH- + H3O+. Así, podemos determinar que una disolución es ácida cuando su concentración de protones es mayor a la de iones hidróxido y que es básica cuando sucede lo contrario. La magnitud que mide la acidez o la basicidad de una sustancia es el pH. El pH se define como: pH = -log [H3O+].

Ejemplos de sustancias ácidas (pH < 7) son el HCl 1M (pH = 0), los jugos gástricos, el zumo de limón y en

menor medida la saliva y la leche. Ejemplos de sustancias básicas (pH > 7) son el NaOH (pH = 14), la lejía o el amoniaco doméstico y en menor medida el agua de mar y la clara de huevo. Cuando la concentración de protones es igual a la concentración de hidróxidos se dice que una sustancia es neutra (pH = 7). Ejemplos de ello son la sangre o las lágrimas.

1. Enlaces débiles.

Los enlaces débiles son aquellos que surgen como atracciones entre moléculas, no como consecuencia de compartir electrones. Suceden en medio acuoso y principalmente existen cuatro tipos de enlaces débiles:

1. Puentes de hidrógeno: se producen entre moléculas polares en medio acuoso o de NH3) (cuando el hidrógeno acompaña a un elemento muy electronegativo.

1. Enlaces iónicos o puentes salinos: se dan cuando una molécula le cede sus electrones a otra (ionización). En disolución acuosa, este tipo de enlaces es más débil (los iones se encuentran solvatados en disolución acuosa, al interaccionar con ellos las propias moléculas de H2O). También se dan enlaces iónicos entre grupos que ceden o captan protones: los ácidos y las bases. R1-COOH + R2-NH2 ↔ R1-COO- + R2-NH3+
2. Fuerzas de Van der Waals: se trata de un tipo de fuerzas repulsivas o atractivas entre átomos ya enlazados, presentes en todas las moléculas. Los átomos sufren una atracción entre sí hasta que sus orbitales se solapan. Entonces se produce una fuerza de repulsión temporal que crea una densidad de carga (dipolo inducido).

1. Interacciones hidrofóbicas: tienen lugar entre moléculas o regiones apolares, sin grandes diferencias de electronegatividad (normalmente moléculas con muchos átomos de C e H, y pocos de O o N que repelen el H2O al no poder reaccionar con él). Este tipo de enlaces dan lugar a la formación de micelas, bicapas y liposomas.

1. Grupos funcionales.

La fuerza y la estabilidad del enlace carbono-carbono hace posible la formación de grandes polímeros. Estas moléculas se unen mediante grupos funcionales: zonas reactivas que contienen nitrógeno y oxígeno (electronegativos). La existencia de grupos funcionales dota de “personalidad”: hace que moléculas muy distintas con el mismo grupo funcional puedan realizar funciones semejantes. Los grupos funcionales más importantes compuestos de O, N, S y P son los siguientes:

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