La Química de la Vida

La vida se basa en principios químicos fundamentales. Los seres vivos están constituidos por elementos químicos que se organizan en moléculas cada vez más complejas, desde simples iones hasta macromoléculas sofisticadas con funciones específicas.

### 1.1. Enlaces Químicos en Biología

Los enlaces químicos son las fuerzas que mantienen unidos a los átomos para formar moléculas y las moléculas entre sí para formar estructuras biológicas complejas.

#### 1.1.1. Enlaces Intramoleculares

Son los enlaces que se establecen dentro de una molécula, manteniendo unidos los átomos que la componen.

##### 1.1.1.1. Enlace Covalente

El enlace covalente se forma cuando dos átomos comparten uno o más pares de electrones. Es el tipo de enlace más importante en moléculas biológicas.

Características del enlace covalente: - Direccionalidad: Los enlaces tienen orientación específica

- Fuerza: Son enlaces muy fuertes (50-400 kcal/mol)

- Saturación: Cada átomo puede formar un número limitado

- Longitud: Distancia fija entre núcleos

Tipos de enlaces covalentes: - Simple: Compartición de un par de electrones (C-C)

- Doble: Compartición de dos pares (C=C, C=O)

- Triple: Compartición de tres pares (C≡C, C≡N)

Polaridad del enlace covalente: - Apolar: Electrones compartidos equitativamente

- Polar: Un átomo atrae más los electrones

- Electronegatividad: Tendencia a atraer electrones

Orden: F > O > N > C = S > P > H

Importancia biológica: - Formación del esqueleto carbonado de biomoléculas

- Enlaces C-H, C-C, C-O, C-N en moléculas orgánicas

- Enlaces P-O en ácidos nucleicos y ATP

- Enlaces S-S en proteínas (puentes disulfuro)

##### 1.1.1.2. Enlace Iónico

El enlace iónico se forma por transferencia completa de electrones entre átomos, creando iones con cargas opuestas que se atraen electrostáticamente.

Características del enlace iónico: - No direccional: Atracción en todas las direcciones

- Fuerza variable: Depende de cargas y distancia

- Solubilidad: Generalmente solubles en agua

- Conductividad: Conducen electricidad en solución

Factores que favorecen la formación: - Gran diferencia de electronegatividad (>1.7)

- Baja energía de ionización del metal

- Alta afinidad electrónica del no metal

Importancia biológica: - Sales minerales (NaCl, CaCl₂, KCl)

- Regulación del equilibrio hídrico

- Transmisión de impulsos nerviosos

- Mantenimiento del pH celular

- Cofactores enzimáticos

#### 1.1.2. Enlaces Intermoleculares

Son fuerzas más débiles que actúan entre moléculas diferentes o entre partes distintas de una misma molécula grande.

##### 1.1.2.1. Fuerzas de Van der Waals

Son interacciones débiles entre moléculas debidas a dipólos temporales o permanentes.

Tipos de fuerzas de van der Waals: - Dipolo-dipolo: Entre moléculas polares

- Dipolo-dipolo inducido: Entre polar y apolar

- Fuerzas de London: Entre moléculas apolares

Características: - Débiles (0.1-2 kcal/mol)

- Importantes en agregación molecular

- Dependientes de la distancia

- Presentes en todas las moléculas

Importancia biológica: - Estabilización de estruturas proteicas

- Interacciones entre bases del ADN

- Formación de bicapas lipídicas

- Asociaciones entre moléculas apolares

##### 1.1.2.2. Enlaces de Hidrógeno

El enlace de hidrógeno es una interacción especial que se establece cuando un átomo de hidrógeno unido covalentemente a un átomo muy electronegativo interactúa con otro átomo electronegativo.

Condiciones para su formación: - Átomo donador: H unido a N, O o F

- Átomo aceptor: N, O o F con pares de electrones libres

- Geometría apropiada

- Distancia adecuada (2.5-3.2 Å)

Características: - Fuerza intermedia (2-8 kcal/mol)

- Direccional

- Saturables

- Cooperativo

Tipos en sistemas biológicos: - O-H···O: Más común, en agua y alcoholes

- N-H···O: En proteínas y ácidos nucleicos

- N-H···N: Entre bases nitrogenadas

- O-H···N: En interacciones específicas

Importancia biológica fundamental: - Propiedades únicas del agua

- Estructura secundaria de proteínas

- Apareamiento de bases en ADN

- Especificidad enzima-sustrato

- Estructura de polisacáridos

### 1.2. La Base Química de la Vida: Componentes Inorgánicos y Orgánicos

Los seres vivos están compuestos por elementos químicos que se clasifican según su abundancia y función en bioelementos primarios, secundarios y oligoelementos.

#### 1.2.1. Los Bioelementos Primarios

Constituyen aproximadamente el 95% de la materia viva. Son los elementos fundamentales de todas las biomoléculas orgánicas.

##### Carbono (C) - 18%:

- Función: Esqueleto de moléculas orgánicas

- Propiedades: Tetravalente, forma cadenas estables

- Configuración: Hibridación sp³, sp², sp

- Importancia: Base de toda la química orgánica

- Localización: Todas las biomoléculas orgánicas

##### Oxígeno (O) - 65%:

- Función: Componente del agua, respiración celular

- Propiedades: Alta electronegatividad, bivalente

- Importancia: Aceptor final de electrones

- Localización: Agua, proteínas, carbohidratos, lípidos

- Metabolismo: Fosforilación oxidativa

##### Hidrógeno (H) - 10%:

- Función: Componente del agua, poder reductor

- Propiedades: Monovalente, forma puentes de hidrógeno

- Importancia: Determinante de pH

- Localización: Agua, todas las moléculas orgánicas

- Metabolismo: Transportadores de hidrógeno

##### Nitrógeno (N) - 3%:

- Función: Componente de proteínas y ácidos nucleicos

- Propiedades: Trivalente, forma enlaces múltiples

- Importancia: Grupos amino y bases nitrogenadas

- Localización: Aminoácidos, bases, nucleótidos

- Metabolismo: Ciclo del nitrógeno

##### Fósforo (P) - 1%:

- Función: Enlaces ricos en energía, información genética

- Propiedades: Pentavalente, forma enlaces fosfodiéster

- Importancia: ATP, ácidos nucleicos, fosfolípidos

- Localización: Nucleótidos, membranas, huesos

- Metabolismo: Transferencia de energía

##### Azufre (S) - 0.25%:

- Función: Estructura proteica, coenzimas

- Propiedades: Bivalente, forma puentes disulfuro

- Importancia: Estabilización estructural

- Localización: Cisteína, metionina, coenzima A

- Metabolismo: Reacciones de oxidación-reducción

#### 1.2.2. Los Bioelementos Secundarios

Representan cerca del 4% de la materia viva. Tienen funciones estructurales y reguladoras específicas.

##### Calcio (Ca²⁺):

- Función: Estructura ósea, contracción muscular

- Localización: Huesos, dientes, músculos

- Importancia: Segundo mensajero, coagulación

- Regulación: Calcitonina, paratohormona

##### Sodio (Na⁺):

- Función: Equilibrio hídrico, transmisión nerviosa

- Localización: Líquido extracelular

- Importancia: Potencial de acción, ósmosis

- Transporte: Bomba sodio-potasio

##### Potasio (K⁺):

- Función: Potencial de membrana, activación enzimática

- Localización: Líquido intracelular

- Importancia: Excitabilidad celular

- Concentración: 140 mM intracelular

##### Cloro (Cl⁻):

- Función: Equilibrio iónico, digestión

- Localización: Líquido extracelular, estómago

- Importancia: HCl gástrico

- Regulación: Equilibrio ácido-base

##### Magnesio (Mg²⁺):

- Función: Cofactor enzimático, clorofila

- Localización: Enzimas, cloroplastos

- Importancia: Fotosíntesis, síntesis de ATP

- Activación: Más de 300 enzimas

#### 1.2.3. Los Oligoelementos

Presentes en concentraciones menores al 0.1%, pero esenciales para funciones biológicas específicas.

##### Hierro (Fe):

- Función: Transporte de oxígeno, cadena respiratoria

- Localización: Hemoglobina, citocromos, ferritina

- Estados: Fe²⁺ (ferroso), Fe³⁺ (férrico)

- Deficiencia: Anemia ferropénica

##### Zinc (Zn):

- Función: Cofactor enzimático, estructura proteica

- Localización: Más de 200 enzimas

- Importancia: Síntesis de ADN, sistema inmune

- Deficiencia: Retraso del crecimiento

##### Yodo (I):

- Función: Hormonas tiroideas

- Localización: Tiroides

- Importancia: Regulación metabólica

- Deficiencia: Bocio, cretinismo

##### Cobre (Cu):

- Función: Transporte de electrones, síntesis de colágeno

- Localización: Citocromo oxidasa, ceruloplasmina

- Importancia: Metabolismo del hierro

- Deficiencia: Anemia, alteraciones neurológicas

##### Otros oligoelementos importantes:

- Selenio: Enzimas antioxidantes

- Cobalto: Vitamina B₁₂

- Cromo: Metabolismo de glucosa

- Molibdeno: Nitrogenasa

- Manganeso: Fotosistema II

### 1.3. Los Principios Inmediatos o Biomoléculas

Las biomoléculas son compuestos químicos presentes en los seres vivos. Se clasifican en inorgánicas (agua y sales minerales) y orgánicas (carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos).

#### 1.3.1. El Agua

El agua es la biomolécula más abundante en los seres vivos, constituyendo entre el 60-70% del peso corporal. Sus propiedades únicas la convierten en el medio ideal para la vida.

##### 1.3.1.1. Estructura Química del Agua

Estructura molecular: - Fórmula: H₂O

- Geometría: Angular (104.5°)

- Hibridación: sp³ del oxígeno

- Longitud de enlace: O-H = 0.96 Å

Polaridad: - Oxígeno más electronegativo que hidrógeno

- Distribución asimétrica de cargas

- Momento dipolar: 1.84 D

- Carga parcial negativa en oxígeno

- Cargas parciales positivas en hidrógenos

Enlaces de hidrógeno en agua: - Cada molécula puede formar 4 puentes de hidrógeno

- 2 como donadora (hidrógenos)

- 2 como aceptora (pares libres del oxígeno)

- Red tridimensional dinámica

- Vida media: 10⁻¹² segundos

##### 1.3.1.2. Propiedades y Funciones del Agua

Propiedades físicas anómalas:

Puntos de fusión y ebullición elevados: - Punto de fusión: 0°C (273 K)

- Punto de ebullición: 100°C (373 K)

- Comparación: H₂S (-60°C a -61°C)

- Causa: Enlaces de hidrógeno

- Importancia: Agua líquida en rango vital

Alto calor específico: - Valor: 1 cal/g·°C = 4.18 J/g·°C

- Causa: Energía para romper puentes de hidrógeno

- Función: Regulador térmico corporal

- Importancia: Homeostasis térmica

Q = m · c · ΔT

Alto calor de vaporización: - Valor: 540 cal/g = 2260 J/g

- Causa: Ruptura de todos los puentes de hidrógeno

- Función: Refrigeración por sudoración

- Importancia: Termorregulación eficiente

Densidad máxima a 4°C: - Hielo menos denso que agua líquida

- Hielo flota en agua

- Causa: Estructura cristalina más abierta

- Importancia: Aislamiento térmico en ecosistemas acuáticos

Alta tensión superficial: - Valor: 73 dinas/cm a 20°C

- Causa: Puentes de hidrógeno en superficie

- Función: Cohesión molecular

- Importancia: Ascenso de savia, locomoción en superficie

Propiedades químicas:

Carácter anfótero: - Puede actuar como ácido o base

- Autoionización: H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻

- Producto iónico: Kw = [H⁺][OH⁻] = 10⁻¹⁴

- pH neutro = 7

Poder disolvente: - "Disolvente universal"

- Disuelve sustancias polares e iónicas

- Formación de esferas de hidratación

- Facilita reacciones bioquímicas

Reactividad química: - Hidrólisis: ruptura de enlaces con agua

- Condensación: eliminación de agua

- Óxido-reducción: donador/aceptor de electrones

- Fotosíntesis: fuente de electrones

Funciones biológicas del agua:

Función estructural: - Esqueleto hidrostático en organismos blandos

- Mantenimiento de forma celular

- Turgencia en células vegetales

- Volumen y presión en cavidades corporales

Función de transporte: - Medio de transporte en sangre y linfa

- Distribución de nutrientes

- Eliminación de desechos

- Circulación de hormonas

Función metabólica: - Medio de reacciones bioquímicas

- Reactivo en hidrólisis

- Producto en reacciones de condensación

- Ionización de ácidos y bases

Función termorreguladora: - Absorción de calor con mínimo cambio de temperatura

- Distribución homogénea de calor

- Eliminación de calor por evaporación

- Mantenimiento de temperatura corporal

Función lubricante: - Líquido sinovial en articulaciones

- Mucus en vías respiratorias y digestivas

- Lágrimas en ojos

- Reducción de fricción

#### 1.3.2. Las Sales Minerales

Las sales minerales son compuestos iónicos formados por cationes metálicos y aniones no metálicos. Pueden encontrarse disueltas, precipitadas o asociadas a moléculas orgánicas.

##### Estados de las sales minerales:

- Disueltas: Ionizadas en solución acuosa

- Precipitadas: Formando estructuras sólidas

- Asociadas: Unidas a biomoléculas orgánicas

##### 1.3.2.1. Funciones de las Sales en Disolución

Mantenimiento del grado de salinidad: - Control de la presión osmótica

- Equilibrio hídrico celular

- Distribución de agua entre compartimentos

- Concentración fisiológica: 0.9% NaCl

Mantenimiento del pH: - Sistemas tampón o buffer

- Resistencia a cambios de pH

- Pares ácido débil/base conjugada

- Ejemplo: HCO₃⁻/H₂CO₃

pH = pKₐ + log([A⁻]/[HA])

Sistemas tampón principales: - Bicarbonato: HCO₃⁻/H₂CO₃ (pH 7.4)

- Fosfato: HPO₄²⁻/H₂PO₄⁻ (pH 7.2)

- Proteínas: Grupos amino/carboxilo

- Hemoglobina: HbO₂/Hb·H⁺

Estabilización de dispersiones coloidales: - Control de cargas superficiales

- Prevención de agregación

- Mantenimiento de estados sol/gel

- Estabilidad de membranas biológicas

Activación enzimática: - Cofactores metálicos esenciales

- Estabilización de estructuras enzimáticas

- Participación en mecanismos catalíticos

- Ejemplos: Mg²⁺ en ATP, Zn²⁺ en peptidasas

Transmisión del impulso nervioso: - Gradientes iónicos transmembrana

- Potencial de reposo y acción

- Propagación de señales eléctricas

- Liberación de neurotransmisores

Contracción muscular: - Ca²⁺ como segundo mensajero

- Regulación de tropomiosina

- Interacción actina-miosina

- Control temporal de contracción

##### 1.3.2.2. Las Disoluciones y las Dispersiones Coloidales

Tipos de sistemas dispersos:

Disoluciones verdaderas: - Tamaño de partículas: < 1 nm

- Homogéneas y transparentes

- No sedimentan

- Atraviesan membranas

- Ejemplos: NaCl, glucosa en agua

Suspensiones: - Tamaño de partículas: > 100 nm

- Heterogéneas y opacas

- Sedimentan por gravedad

- No atraviesan membranas

- Separables por filtración

Coloides: - Tamaño de partículas: 1-100 nm

- Propiedades intermedias

- Efecto Tyndall

- Movimiento browniano

- Gran superficie específica

##### 1.3.2.3. Propiedades de las Dispersiones Coloidales

Propiedades ópticas: - Efecto Tyndall: Dispersión de luz visible

- Haz luminoso visible en coloide

- Dependiente del tamaño de partículas

- Útil para detectar coloides

Propiedades cinéticas: - Movimiento browniano: Agitación térmica

- Movimiento aleatorio constante

- Previene sedimentación

- Observable al microscopio

Propiedades eléctricas: - Partículas con carga superficial

- Doble capa eléctrica

- Potencial zeta

- Electroforesis

Estados coloidales: - Sol: Fase dispersa líquida o sólida

- Gel: Red tridimensional que atrapa líquido

- Transición sol-gel: Reversible

- Ejemplos biológicos: Citoplasma, gelatina

##### 1.3.2.4. Difusión, Ósmosis y Diálisis

Estos procesos son fundamentales para el transporte de sustancias a través de membranas biológicas y el mantenimiento del equilibrio celular.

1.3.2.4.1. Difusión

La difusión es el movimiento neto de partículas desde una zona de mayor concentración hacia una de menor concentración, debido al movimiento térmico aleatorio.

Características de la difusión: - Proceso espontáneo: No requiere energía

- A favor de gradiente: Mayor a menor concentración

- Hasta equilibrio: Concentraciones iguales

- Velocidad variable: Depende de varios factores

Ley de Fick: J = -D(dC/dx)

Donde:

- J = Flujo de difusión

- D = Coeficiente de difusión

- dC/dx = Gradiente de concentración

Factores que afectan la difusión: - Gradiente de concentración: Mayor gradiente, mayor velocidad

- Temperatura: Mayor temperatura, mayor velocidad

- Tamaño molecular: Moléculas pequeñas difunden más rápido

- Medio: Viscosidad del medio

- Superficie: Mayor área, mayor difusión

- Distancia: Menor distancia, mayor velocidad

Tipos de difusión en biología: - Difusión simple: A través de bicapa lipídica

- Difusión facilitada: A través de proteínas transportadoras

- Intercambio gaseoso: O₂ y CO₂ en pulmones

- Absorción intestinal: Nutrientes en intestino

1.3.2.4.2. Ósmosis

La ósmosis es el paso de disolvente (generalmente agua) a través de una membrana semipermeable desde una zona de menor concentración de solutos hacia una de mayor concentración.

Características de la ósmosis: - Membrana semipermeable: Permite paso de agua, no de solutos

- Gradiente osmótico: Diferencia de concentraciones

- Equilibrio osmótico: Presiones iguales a ambos lados

- Presión osmótica: Presión necesaria para detener ósmosis

Presión osmótica: π = nRT/V = CRT

Donde:

- π = Presión osmótica

- n = Número de moles de soluto

- R = Constante de gases

- T = Temperatura absoluta

- V = Volumen de disolución

- C = Concentración molar

Tipos de soluciones osmóticas: - Isotónica: Igual concentración (no hay flujo neto)

- Hipotónica: Menor concentración (entra agua)

- Hipertónica: Mayor concentración (sale agua)

Efectos osmóticos en células: - Células animales en hipotónica: Hinchazón, lisis

- Células animales en hipertónica: Crenación

- Células vegetales en hipotónica: Turgencia

- Células vegetales en hipertónica: Plasmólisis

Importancia biológica: - Regulación del volumen celular

- Absorción de agua en plantas

- Función renal

- Distribución de líquidos corporales

- Conservación en alimentos

1.3.2.4.3. Diálisis

La diálisis es la separación de solutos de diferente tamaño molecular mediante una membrana semipermeable que permite el paso de moléculas pequeñas pero no de grandes.

Principio de la diálisis: - Membrana con poros de tamaño específico

- Moléculas pequeñas atraviesan

- Moléculas grandes quedan retenidas

- Basada en difusión selectiva

Factores que afectan la diálisis: - Tamaño de poro: Determina selectividad

- Tamaño molecular: Relación con paso por membrana

- Gradiente de concentración: Fuerza motriz

- Tiempo: Duración del proceso

- Superficie de membrana: Área disponible

Aplicaciones biológicas: - Función renal: Filtración glomerular

- Hemodiálisis: Depuración artificial de sangre

- Diálisis peritoneal: Uso del peritoneo como membrana

- Investigación: Purificación de proteínas

Ventajas de la diálisis: - Proceso suave (no desnaturaliza)

- Selectivo por tamaño

- Continuo

- Eliminación eficiente de moléculas pequeñas

## Importancia de la Química en Biología

La comprensión de los principios químicos es fundamental para entender los procesos biológicos:

- Base molecular de la vida

- Interacciones entre biomoléculas

- Mecanismos de transporte celular

- Regulación del pH y equilibrio iónico

- Función de agua como medio biológico

- Procesos osmóticos y homeostasis

- Fundamentos de la bioquímica

- Aplicaciones en medicina y biotecnología

Los enlaces químicos, bioelementos y propiedades del agua forman la base sobre la cual se construyen todos los procesos vitales, desde el nivel molecular hasta el organizacional.