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SS1_2018_Lecture_01 - Biología

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Biología

La biología es el estudio científico de la vida. Es una oportunidad para profundizar en algunas de las preguntas más profundas de la humanidad sobre nuestros orígenes, la historia de nuestro planeta y nuestras conexiones con otros seres vivos (grandes y pequeños / existentes o extintos). También es una oportunidad para sumergirse en un mundo de resolución práctica de problemas y pensar detenidamente sobre posibles soluciones para mejorar la atención médica, mantener suministros alimentarios sostenibles y producir tecnologías de energía renovable.

Estudiar biología nos ayuda a comprender los problemas y abordar los problemas cotidianos. Por ejemplo, puede comprender mejor cómo lo que come y la cantidad de ejercicio que hace influyen en su salud cuando comprende las reacciones bioquímicas que describen cómo se transforma la comida (materia), cómo ésta y su cuerpo almacenan energía y cómo esta energía se puede transformar. transferido de la comida a los músculos. Decidir si comprar o no productos etiquetados con términos como "antimicrobiano" o "probiótico" puede ser más fácil si comprende lo que hacen los microbios, que viven dentro, sobre y alrededor de nosotros. Comprender los principios bioquímicos que describen los cambios que ocurren en los huevos mientras se cocinan puede ayudarnos a comprender cómo procesos físicos similares pueden ser fundamentales para la respuesta al estrés celular y algunas enfermedades. El color de sus ojos se puede apreciar mejor si se comprenden los mecanismos genéticos y bioquímicos que relacionan la información genética con los rasgos físicos.

Estudiar biología incluso nos ayuda a comprender cosas que están "fuera de este mundo". Por ejemplo, comprender los requisitos para la vida puede ayudarnos a buscar vida en lugares como Marte o en las profundidades de la corteza terrestre. Cuando comprendamos cómo "reconectar" correctamente las redes celulares de toma de decisiones, finalmente podremos regenerar miembros u órganos funcionales a partir del propio tejido de alguien, o reprogramar los tejidos enfermos para que recuperen la salud. Hay muchas oportunidades interesantes. El punto clave es que dominar algunos principios básicos lo ayuda a comprender y pensar más profundamente sobre una amplia gama de temas. Tenga en cuenta esta noción a lo largo del curso.

Biología: una ciencia interdisciplinaria

Las preguntas en biología abarcan escalas de tamaño superiores a diez órdenes de magnitud, desde la composición atómica y el comportamiento químico de moléculas individuales hasta sistemas de ecologías interactuantes a escala planetaria. Cualquiera que sea la escala de interés, para desarrollar una comprensión profunda y funcional de la biología, primero debemos apreciar los conceptos biológicos. Esto implica la integración de ideas y herramientas importantes de todo el espectro de la ciencia, incluida la química, la física y las matemáticas. La biología es verdaderamente una ciencia interdisciplinaria.

La aplicación potencial del conocimiento es amplia

Algunas personas pueden pensar que estudiar biología se trata solo de medicina; sin embargo, puede conducir o influir en muchas carreras diferentes. La biología tiene aplicaciones que son vastas y de amplio alcance. Las aplicaciones incluyen tratar pacientes (humanos u otros animales), mejorar las prácticas agrícolas, desarrollar nuevos materiales de construcción, redactar nuevas políticas energéticas, remediar el cambio climático global, crear nuevas obras de arte; la lista sigue y sigue. Para los curiosos, la biología tiene muchos misterios inexplorados.

Mientras estudia biología, aprecie sus interesantes preguntas y temas y tenga la mente abierta. Aunque los temas del curso no siempre parecer relacionados al principio, es probable que lo estén. Tener la mente abierta le ayuda a descubrir y apreciar las conexiones entre los temas del curso y sus intereses. Descubrir cómo los temas aparentemente diferentes se interrelacionan puede brindarle una apreciación más profunda de las cosas que disfruta y tal vez incluso despertar una nueva pasión.

BIS2A: de moléculas a células

BIS2A se centra en la célula, una de las unidades más fundamentales de la vida. Las células pueden ser tan simples como la bacteria que causa la enfermedad. Mycoplasma genitalium, cuyo genoma codifica solo 525 genes (solo 382 de los cuales son esenciales para la vida), o tan complejo como una célula perteneciente a la planta multicelular Oryza sativa (arroz), cuyo genoma probablemente codifica ~ 51.000 genes. Sin embargo, a pesar de esta diversidad, todas las células comparten algunas propiedades fundamentales. En BIS2A, exploramos problemas básicos que deben ser tratados por todas las células. Estudiamos los componentes básicos de las células, algunas de sus propiedades bioquímicas clave, cómo se codifica y expresa la información biológica en el material genético y cómo todo esto se combina para formar un sistema vivo. También discutiremos algunas de las formas en que los sistemas vivos intercambian materia, energía e información con su entorno (incluidos otros seres vivos). Nos enfocamos principalmente en los principios básicos que son comunes a toda la vida en la Tierra y, debido a la gran amplitud de la biología, colocamos estas ideas en una variedad de contextos a lo largo del trimestre.

Evolución y selección natural

Breve descripción

Evolución y seleccion natural son conceptos centrales en biología que se invocan típicamente para ayudar a explicar la diversidad y las relaciones entre la vida en la Tierra, tanto existente como extinta. Afortunadamente, en BIS2A, necesita comprender y usar solo algunas ideas centrales relacionadas con la evolución y la selección natural. Los describimos a continuación. Ampliará su comprensión y agregará detalles a estos conceptos básicos en BIS2B y BIS2C.

La primera idea que debe comprender es que la evolución se puede definir simplemente como el desarrollo / cambio de algo a lo largo del tiempo. En la industria automotriz, se puede decir que las formas y características de los automóviles evolucionan (cambian con el tiempo). En la moda se puede decir que el estilo evoluciona. En biología, vida y, en particular, reproducción de poblaciones de organismos con diferentes rasgos evolucionar.

Lo segundo que hay que entender es que la selección natural es un proceso mediante el cual la naturaleza filtra organismos en una población. ¿Qué es el filtro? Aquí se vuelve un poco más complicado (pero solo un poco). La explicación más simple es que el filtro selectivo es solo una combinación de todos los factores vivos y no vivos en un entorno, que influyen en el éxito de la reproducción de un organismo. Los factores que influyen en la capacidad de un organismo para reproducirse se conocen como presiones selectivas. Una complicación pequeña pero importante es que estos factores no son los mismos en todas partes; cambian en el tiempo y la ubicación. Por lo tanto, las presiones selectivas que crean el filtro cambian constantemente (a veces rápidamente, a veces lentamente) y los organismos en el mismo reproduciendo población podría experimentar diferentes presiones en diferentes momentos y en diferentes lugares.

La teoría de la evolución por selección natural une estas dos ideas; estipula que el cambio en la biología ocurre con el tiempo y que la variación en una población está constantemente sujeta a una selección basada en cómo las diferencias en los rasgos influyen en la reproducción. Pero, ¿cuáles son estas características o rasgos? ¿Qué rasgos / características / funciones pueden estar sujetos a selección? La respuesta corta es: casi cualquier cosa asociada con un organismo para el que existe variación en una población y para el cual esta variación conduce a una probabilidad diferencial de generar descendencia probablemente estará sujeta a filtrado por selección natural. También llamamos heredables a estos rasgos fenotipos. Se dice que los organismos de una población que tienen fenotipos, que les permiten pasar el filtro selectivo de manera más eficiente que otros, tienen un ventaja selectiva y / o mayor aptitud.

Es importante reiterar que si bien los fenotipos portados por organismos individuales pueden estar sujetos a selección, el proceso de evolución por selección natural requiere y actúa sobre variación fenotípica dentro de poblaciones. Si no existen variaciones ni poblaciones en las que esa variación pueda residir, no hay oportunidad ni necesidad de selección. Todo es y permanece igual.

Conceptos erróneos comunes y una nota específica del curso

Finalmente, llamamos su atención sobre un punto crítico y un error común entre los estudiantes principiantes de biología. Este error puede surgir cuando, por el bien de la discusión, decidimos antropomorfizar la naturaleza dándole un intelecto. Por ejemplo, podemos intentar construir un ejemplo de evolución por selección natural proponiendo que existe un excedente de un alimento en particular en un ambiente y hay un organismo cercano que se muere de hambre. Sería correcto razonar que si el organismo pudiera comer ese alimento, esto podría darle una ventaja selectiva sobre otros organismos que no pueden hacerlo. Si más adelante encontramos un ejemplo de organismos que tienen la capacidad de comer ese alimento excedente, podría ser tentador decir que la naturaleza evolucionó para resolver el problema del alimento excedente. El proceso de evolución por selección natural, sin embargo, ocurre al azar y sin dirección. Es decir, la naturaleza NO identifica "problemas" que limitan la aptitud. La naturaleza NO identifica las características que harían que un organismo sea más exitoso y luego comience a crear diversas soluciones que satisfagan esta necesidad. La generación de variación no está guiada. La variación ocurre y la selección natural filtra lo que funciona mejor. La observación de que existe un organismo que puede comer los alimentos excedentes no es un reflejo de la naturaleza resolviendo activamente un problema, sino más bien, un reflejo de cualquier proceso que condujo a la variación fenotípica en una población ancestral que creó, entre muchas otras variantes, un fenotipo. ese aumento de aptitud (posiblemente porque los organismos ancestrales pudieron comer el excedente de comida).

Este punto del párrafo anterior es particularmente importante de comprender en el contexto de BIS2A debido a la forma en que utilizaremos el Desafío de diseño para comprender la biología. Si bien el Desafío de diseño tiene como objetivo ayudar a centrar nuestra atención en las funciones seleccionadas y su relación con la determinación de la aptitud, puede ser fácil, si no estamos atentos, caer en un lenguaje que sugiera que la naturaleza diseña intencionalmente soluciones para resolver problemas específicos. . Recuerde siempre que estamos mirando retrospectivamente lo que la naturaleza ha seleccionado y que estamos intentando comprender por qué un fenotipo específico puede haber sido seleccionado entre muchas otras posibilidades. Al hacerlo, estaremos infiriendo o hipotetizando lo mejor que podamos (lo que a veces es incorrecto) una razón sensata para explicar por qué un fenotipo podría haber proporcionado una ventaja selectiva. NO estamos diciendo que el fenotipo evolucionó PARA proporcionar una ventaja selectiva específica. La distinción entre estas dos ideas puede ser sutil, ¡pero es fundamental!

Nota: posible discusión

¿Qué rasgos físicos se le ocurren que le den una ventaja selectiva a ciertas especies? ¿En qué condiciones este rasgo otorgaría esas ventajas? ¿Bajo qué condiciones ese rasgo podría ser una desventaja selectiva?

Nota: posible discusión

Las grandes variedades de razas de perros domesticados entre las que podemos elegir como compañía son también el resultado de un proceso de evolución por selección. Del mismo modo, el desarrollo de muchos cultivos de aspecto muy diferente (repollo, coles de Bruselas, colinabo, col rizada, brócoli y coliflor) es también el resultado de la evolución por selección. Sin embargo, en estos dos casos se hace referencia al proceso de selección o filtrado seleccion artificial en lugar de la selección natural. Discuta cómo la selección natural y la artificial son similares y diferentes.

Nota: posible discusión

¿Cómo influyen los factores ambientales y políticos en los procesos de fabricación, como el diseño de automóviles? ¿Moda? Etc. ¿Qué aspectos son similares a la evolución de un organismo y qué aspectos son diferentes?

Nota: posible discusión

Un concepto erróneo relacionado pero ligeramente diferente sobre la evolución por selección natural es que este proceso conduce a la creación de las soluciones más eficientes a los problemas. ¿Cuál es el problema con esta noción?

Enfoque general de los tipos de biomoléculas en BIS2A

Antes de que empieces

Si es necesario, revise el módulo Desafío de diseño para revisar la rúbrica del Desafío de diseño.

Algo de contexto y motivación

En BIS2A, nos preocupa principalmente el desarrollo de una comprensión funcional de una célula biológica. En el contexto de un problema de diseño, podríamos decir que queremos resolver el problema de construir una celda. Si dividimos esta gran tarea en problemas más pequeños o, alternativamente, preguntamos qué tipo de cosas necesitamos comprender para hacer esto, sería razonable concluir que comprender de qué está hecha la celda sería importante. Dicho esto, no es suficiente apreciar DE QUÉ está hecha la celda. También necesitamos comprender las PROPIEDADES de los materiales que componen la celda. Esto requiere que profundicemos un poco en la química, la ciencia de las "cosas" (materia) que componen el mundo que conocemos.

Esta perspectiva de hablar de química molecular y termodinámica hace que algunos estudiantes de biología se sientan aprensivos. Con suerte, sin embargo, mostraremos que muchos de los procesos biológicos que nos preocupan surgen directamente de las propiedades químicas de las "cosas" que componen la vida y que desarrollar una comprensión funcional de algunos conceptos químicos básicos puede ser tremendamente útil. en pensar en cómo resolver problemas en medicina, energía y medio ambiente atacándolos en su núcleo.

Importancia de la composición química

Como estudiante de BIS2A, se le pedirá que clasifique las macromoléculas en grupos observando su composición química y, basándose en esta composición, también infiera algunas de las propiedades que podrían tener. Por ejemplo, los carbohidratos tienen típicamente múltiples grupos hidroxilo. Los grupos hidroxilo son grupos funcionales polares capaces de formar enlaces de hidrógeno. Por lo tanto, algunas de las propiedades biológicamente relevantes de varios carbohidratos pueden entenderse en algún nivel mediante un equilibrio entre cómo pueden tender a formar enlaces de hidrógeno con el agua, ellos mismos u otras moléculas.

Vincular la estructura a la función

Cada macromolécula juega un papel específico en el funcionamiento general de una célula. Las propiedades químicas y la estructura de una macromolécula estarán directamente relacionadas con su función. Por ejemplo, la estructura de un fosfolípido se puede dividir en dos grupos, un grupo de cabeza hidrófilo y un grupo de cola hidrófobo. Cada uno de estos grupos juega un papel no solo en el ensamblaje de la membrana celular, sino también en la selectividad de las sustancias que pueden o no pueden atravesar la membrana.

La estructura de un átomo

Un átomo es la unidad de materia más pequeña que conserva todas las propiedades químicas de un elemento. Elementos son formas de materia con propiedades químicas y físicas específicas que no pueden descomponerse en sustancias más pequeñas mediante reacciones químicas ordinarias.

La química discutida en BIS2A requiere que usemos un modelo para un átomo. Si bien existen modelos más sofisticados, el modelo atómico utilizado en este curso hace la suposición simplificadora de que el átomo estándar está compuesto por tres partículas subatómicas, la protón, los neutrón, y el electrón. Los protones y neutrones tienen una masa de aproximadamente una unidad de masa atómica (a.m.u.). Una unidad de masa atómica es aproximadamente 1,660538921 x 10-27kg: aproximadamente 1/12 de la masa de un átomo de carbono (consulte la tabla a continuación para obtener un valor más preciso). La masa de un electrón es 0,000548597 a.m.u. o 9,1 x 10-31kg. Los neutrones y protones residen en el centro del átomo en una región llamada núcleo mientras que los electrones orbitan alrededor del núcleo en zonas llamadas orbitales, como se ilustra a continuación. La única excepción a esta descripción es el átomo de hidrógeno (H), que está compuesto por un protón y un electrón sin neutrones. A un átomo se le asigna un número atómico basado en el número de protones en el núcleo. El carbono neutro (C), por ejemplo, tiene seis neutrones, seis protones y seis electrones. Tiene un número atómico de seis y una masa de poco más de 12 a.m.u.

tabla 1. Carga, masa y ubicación de partículas subatómicas

Protones, neutrones y electrones
CargarMisa (a.m.u.)Masa (kilogramo)Localización
Protón+1~11,6726 x 10-27núcleo
Neutrón0~11,6749 x 10-27núcleo
Electrón–1~09.1094 x 10-31orbitales

La Tabla 1 informa la carga y la ubicación de tres partículas subatómicas: el neutrón, el protón y el electrón. Unidad de masa atómica = a.m.u. (también conocido como Dalton [Da]) - esto se define como aproximadamente una doceava parte de la masa de un átomo de carbono neutro o 1,660538921 x 10−27 kg. Esta es aproximadamente la masa de un protón o neutrón.

Figura 2. Los elementos, como el helio que se muestra aquí, están formados por átomos. Los átomos están formados por protones y neutrones ubicados dentro del núcleo y electrones que rodean el núcleo en regiones llamadas orbitales. (Nota: esta figura muestra un modelo de Bohr para un átomo; podríamos usar una nueva figura de código abierto que describa un modelo más moderno para orbitales. Si alguien encuentra uno, reenvíelo).
Fuente: (https://commons.wikimedia.org/wiki/F...um_atom_QM.svg)
Por usuario: Yzmo (Trabajo propio) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) o CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/ 3.0 /)], a través de Wikimedia Commons

Tamaños relativos y distribución de elementos.

El átomo típico tiene un radio de uno a dos angstroms (Å). 1Å = 1 x 10-10metro. El núcleo típico tiene un radio de 1 x 10-5Å o 10,000 más pequeño que el radio de todo el átomo. Por analogía, una pelota de ejercicio grande típica tiene un radio de 0,85 m. Si fuera un átomo, el núcleo tendría un radio de aproximadamente 1/2 a 1/10 de tu cabello más delgado. Todo ese volumen extra está ocupado por los electrones en regiones llamadas orbitales. Para un átomo ideal, los orbitales son regiones definidas probabilísticamente en el espacio alrededor del núcleo en las que se puede esperar que se encuentre un electrón.

Para obtener información básica adicional sobre la estructura atómica, haga clic aquí.
Para obtener información básica adicional sobre orbitales aquí.

Videoclips

Para una revisión de la estructura atómica, vea este video de Youtube: estructura atómica.

Las propiedades de los materiales vivos y no vivos están determinadas en gran medida por la composición y organización de sus elementos constituyentes. Cinco elementos son comunes a todos los organismos vivos: oxígeno (O), carbono (C), hidrógeno (H), fósforo (P) y nitrógeno (N). Otros elementos como azufre (S), calcio (Ca), cloruro (Cl), sodio (Na), hierro (Fe), cobalto (Co), magnesio, potasio (K) y varios otros oligoelementos también son necesarios para la vida. , pero normalmente se encuentran en mucha menos abundancia que los "cinco primeros" mencionados anteriormente. Como consecuencia, la química de la vida y, por extensión, la química de relevancia en BIS2A, se centra en gran medida en arreglos y reacciones comunes entre los "cinco primeros" átomos centrales de la biología.

figura 3. Una tabla que ilustra la abundancia de elementos en el cuerpo humano. Un gráfico circular que ilustra las relaciones en abundancia entre los cuatro elementos más comunes.
Crédito: Datos de Wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Abundan...mical_elements); gráfico creado por Marc T. Facciotti

La tabla periodica

Los diferentes elementos se organizan y muestran en el tabla periódica. Ideada por el químico ruso Dmitri Mendeleev (1834-1907) en 1869, la tabla agrupa elementos que, debido a algunos puntos en común de su estructura atómica, comparten ciertas propiedades químicas. La estructura atómica de los elementos es responsable de sus propiedades físicas, incluso si existen como gases, sólidos o líquidos en condiciones específicas y sus reaccion quimica, término que se refiere a su capacidad para combinarse y unirse químicamente entre sí y con otros elementos.

En la tabla periódica, que se muestra a continuación, los elementos están organizados y mostrados de acuerdo con su número atómico y están dispuestos en una serie de filas y columnas basadas en propiedades químicas y físicas compartidas. Además de proporcionar el número atómico de cada elemento, la tabla periódica también muestra la masa atómica del elemento. Mirando al carbono, por ejemplo, aparecen su símbolo (C) y su nombre, así como su número atómico de seis (en la esquina superior derecha que indica el número de protones en el núcleo neutro) y su masa atómica de 12.11 (suma de la masa de electrones, protones y neutrones).

Figura: La tabla periódica muestra la masa atómica y el número atómico de cada elemento. El número atómico aparece encima del símbolo del elemento y la masa atómica aproximada aparece a la izquierda.
Fuente: por 2012rc (hecho a sí mismo con inkscape) [dominio público], a través de Wikimedia Commons Modificado por Marc T. Facciotti - 2016

Electronegatividad

Las moléculas son conjuntos de átomos que están asociados entre sí a través de enlaces. Es razonable esperar, y el caso empíricamente, que diferentes átomos exhibirán diferentes propiedades físicas, incluida la capacidad para interactuar con otros átomos. Una de esas propiedades, la tendencia de un átomo a atraer electrones, se describe mediante el concepto y término químico electronegatividad. Si bien se han desarrollado varios métodos para medir la electronegatividad, el que se enseña con más frecuencia a los biólogos es el creado por Linus Pauling.

Una descripción de cómo se puede calcular la electronegatividad de Pauling está fuera del alcance de BIS2A. Lo que es importante saber, sin embargo, es que los valores de electronegatividad se han determinado experimental y / o teóricamente para casi todos los elementos de la tabla periódica. Los valores no tienen unidades y se informan en relación con la referencia estándar, hidrógeno, cuya electronegatividad es 2,20. Cuanto mayor es el valor de electronegatividad, mayor tendencia tiene un átomo a atraer electrones. Usando esta escala, la electronegatividad de diferentes átomos se puede comparar cuantitativamente. Por ejemplo, al usar la Tabla 1 a continuación, podría informar que los átomos de oxígeno (O) son más electronegativos que los átomos de fósforo (P).

Tabla 1. Valores de electronegatividad de Pauling para elementos seleccionados de relevancia para BIS2A, así como elementos en los dos extremos (más alto y más bajo) de la escala de electronegatividad.

Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

La utilidad de la escala de electronegatividad de Pauling en BIS2A es proporcionar una base química para explicar los tipos de enlaces que se forman entre los elementos que ocurren comúnmente en los sistemas biológicos y explicar algunas de las interacciones clave que observamos de forma rutinaria. Desarrollamos nuestra comprensión de los argumentos basados ​​en la electronegatividad sobre los enlaces y las interacciones moleculares comparando las electronegatividades de dos átomos. Recuerde, cuanto mayor es la electronegatividad, más fuerte es la "atracción" que ejerce un átomo sobre los electrones cercanos.

Podemos considerar, por ejemplo, la interacción común entre oxígeno (O) e hidrógeno (H). Supongamos que O y H están interactuando (formando un enlace) y escribamos esa interacción como O-H, donde el guión entre las letras representa la interacción entre los dos átomos. Para comprender mejor esta interacción, podemos comparar la electronegatividad relativa de cada átomo. Al examinar la tabla anterior, vemos que O tiene una electronegatividad de 3.44 y H tiene una electronegatividad de 2.20.

Basándonos en el concepto de electronegatividad tal como lo entendemos ahora, podemos suponer que el átomo de oxígeno (O) tenderá a "alejar" los electrones del hidrógeno (H) cuando interactúen. Esto dará lugar a una carga negativa leve pero significativa alrededor del átomo de O (debido a la mayor tendencia de los electrones a asociarse con el átomo de O). Esto también da como resultado una ligera carga positiva alrededor del átomo de H (debido a la disminución de la probabilidad de encontrar un electrón cerca). Dado que los electrones no se distribuyen uniformemente entre los dos átomos Y, en consecuencia, la carga eléctrica tampoco se distribuye uniformemente, describimos esta interacción o enlace como polar. En efecto, hay dos polos: el polo negativo cerca del oxígeno y el polo positivo cerca del hidrógeno.

Para ampliar la utilidad de este concepto, ahora podemos preguntarnos en qué se diferencia una interacción entre oxígeno (O) e hidrógeno (H) de una interacción entre azufre (S) e hidrógeno (H). Es decir, ¿en qué se diferencia O-H de S-H? Si examinamos la tabla anterior, vemos que la diferencia de electronegatividad entre O y H es 1,24 (3,44 - 2,20 = 1,24) y que la diferencia de electronegatividad entre S y H es 0,38 (2,58 - 2,20 = 0,38). Por lo tanto, podemos concluir que un enlace O-H es más polar que un enlace S-H. Discutiremos las consecuencias de estas diferencias en capítulos posteriores.

Figura 2. La tabla periódica con las electronegatividades de cada átomo enumeradas.

Atribución: Por DMacks (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], a través de Wikimedia Commons

Un examen de la tabla periódica de los elementos (Figura 2) ilustra que la electronegatividad está relacionada con algunas de las propiedades físicas utilizadas para organizar los elementos en la tabla. Son evidentes ciertas tendencias. Por ejemplo, los átomos con la mayor electronegatividad tienden a residir en la esquina superior derecha de la tabla periódica, como el flúor (F), el oxígeno (O) y el cloro (Cl), mientras que los elementos con la menor electronegatividad tienden a encontrarse. en el otro extremo de la tabla, en la parte inferior izquierda, como francio (Fr), cesio (Cs) y radio (Ra).

El uso principal del concepto de electronegatividad en BIS2A será, por lo tanto, proporcionar una base conceptual para discutir los diferentes tipos de enlaces químicos que ocurren entre los átomos en la naturaleza. Nos centraremos principalmente en tres tipos de bonos: Enlaces iónicos, Enlaces covalentes y Enlaces de hidrógeno.

Tipos de bonos

En BIS2A, nos centramos principalmente en tres tipos de bonos diferentes: enlaces iónicos, enlaces covalentes, y enlaces de hidrógeno. Esperamos que los estudiantes sean capaces de reconocer cada tipo de enlace diferente en modelos moleculares. Además, para los enlaces comúnmente vistos en biología, esperamos que el estudiante proporcione una explicación química, basada en ideas como la electronegatividad, de cómo estos enlaces contribuyen a la química de las moléculas biológicas.

Enlaces iónicos

Enlaces iónicos son interacciones electrostáticas formadas entre iones de cargas opuestas. Por ejemplo, la mayoría de nosotros sabemos que en el cloruro de sodio (NaCl), los iones de sodio con carga positiva y los iones de cloruro con carga negativa se asocian a través de interacciones electrostáticas (+ atrae -) para formar cristales de cloruro de sodio, o sal de mesa, creando una molécula cristalina con cero neto. cargar. Los orígenes de estas interacciones pueden surgir de la asociación de átomos neutros cuya diferencia en electronegatividades es suficientemente alta. Tome el ejemplo anterior. Si imaginamos que un átomo de sodio neutro y un átomo de cloro neutro se acercan, es posible que a distancias cercanas, debido a la diferencia relativamente grande de electronegatividad entre los dos átomos, un electrón del átomo de sodio neutro se transfiera al átomo de sodio. átomo de cloro neutro, lo que da como resultado un ion cloruro cargado negativamente y un ion sodio cargado positivamente. Estos iones ahora pueden interactuar a través de un enlace iónico.

Figura 1. Se representa la formación de un enlace iónico entre el sodio y el cloro. En el panel A, una diferencia suficiente en la electronegatividad entre el sodio y el cloro induce la transferencia de un electrón del sodio al cloro, formando dos iones, como se ilustra en el panel B. En el panel C, los dos iones se asocian mediante una interacción electrostática. Atribución: Por BruceBlaus (trabajo propio) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], a través de Wikimedia Commons

Este movimiento de electrones de un átomo a otro se denomina transferencia de electrones. En el ejemplo anterior, cuando el sodio pierde un electrón, ahora tiene 11 protones, 11 neutrones y 10 electrones, dejándolo con una carga total de +1 (cargas sumadas: 11 protones a +1 carga cada uno y 10 electrones a -1 cobrar cada uno = +1). Una vez cargado, el átomo de sodio se denomina ión sodio. Asimismo, según su electronegatividad, un átomo de cloro neutro (Cl) tiende a ganar un electrón para crear un ión con 17 protones, 17 neutrones y 18 electrones, lo que le da una carga neta negativa (-1). Ahora se lo conoce como ion cloruro.

Podemos interpretar la transferencia de electrones anterior utilizando el concepto de electronegatividad. Comience comparando las electronegatividades del sodio y el cloro examinando la tabla periódica de elementos a continuación. Vemos que el cloro se encuentra en la esquina superior derecha de la tabla, mientras que el sodio está en la esquina superior izquierda. Comparando los valores de electronegatividad del cloro y el sodio directamente, vemos que el átomo de cloro es más electronegativo que el sodio. La diferencia en la electronegatividad del cloro (3,16) y el sodio (0,93) es 2,23 (utilizando la escala de la siguiente tabla). Dado que sabemos que se producirá una transferencia de electrones entre estos dos elementos, podemos concluir que las diferencias en las electronegatividades de ~ 2.2 son lo suficientemente grandes como para hacer que un electrón se transfiera entre dos átomos y que las interacciones entre dichos elementos probablemente se realicen a través de enlaces iónicos.

Figura 2. La tabla periódica de los elementos que enumera los valores de electronegatividad para cada elemento. Los elementos sodio y cloro están encuadrados con un límite verde azulado. Atribución: Por DMacks (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], a través de Wikimedia CommonsModificado por Marc T. Facciotti

Nota: posible discusión

Los átomos de un ladrillo de 5 x 5 pulgadas de sal de mesa (NaCl) que se encuentra en la encimera de la cocina se mantienen unidos casi en su totalidad por enlaces iónicos. Con base en esa observación, ¿cómo caracterizaría la fuerza de los enlaces iónicos?

Ahora considere ese mismo ladrillo de sal de mesa después de haber sido arrojado a una piscina promedio en el patio trasero. Después de un par de horas, el ladrillo se disolvería por completo y los iones de sodio y cloruro se distribuirían uniformemente por toda la piscina. ¿Qué podría concluir sobre la fuerza de los enlaces iónicos a partir de esta observación?

Proponga una razón por la que los enlaces iónicos de NaCl en el aire podrían comportarse de manera diferente a los del agua. ¿Cuál es el significado de esto para la biología?

Para informacion adicional:

Consulte el enlace de Khan Academy sobre enlaces iónicos.

Enlaces covalentes

También podemos invocar el concepto de electronegatividad para ayudar a describir las interacciones entre átomos que tienen diferencias en electronegatividad demasiado pequeñas para que los átomos formen un enlace iónico. Estos tipos de interacciones a menudo dan como resultado un enlace llamado enlace covalente. En estos enlaces, los electrones se comparten entre dos átomos, en contraste con una interacción iónica en la que los electrones permanecen en cada átomo de un ión o se transfieren entre especies que tienen electronegatividades muy diferentes.

Comenzamos a explorar el enlace covalente observando un ejemplo en el que la diferencia de electronegatividad es cero. Considere una interacción muy común en biología, la interacción entre dos átomos de carbono. En este caso, cada átomo tiene la misma electronegatividad, 2,55; la diferencia de electronegatividad es, por tanto, cero. Si construimos nuestro modelo mental de esta interacción usando el concepto de electronegatividad, nos damos cuenta de que cada átomo de carbono en el par carbono-carbono tiene la misma tendencia a "atraer" electrones hacia él. En este caso, cuando se forma un enlace, ninguno de los dos átomos de carbono tenderá a "tirar" (un buen antropomorfismo) de electrones del otro. En cambio, "compartirán" (otro antropomorfismo) los electrones por igual.

Aparte: ejemplo delimitador

Los dos ejemplos anteriores, (1) la interacción del sodio y el cloro, y (2) la interacción entre dos átomos de carbono, enmarcan una discusión mediante un análisis "delimitador" o asintótico (ver lectura anterior). Examinamos lo que le sucede a un sistema físico cuando consideramos dos extremos. En este caso, los extremos estaban en las diferencias de electronegatividad entre los átomos que interactuaban. La interacción del sodio y el cloro ilustró lo que sucede cuando dos átomos tienen una gran diferencia en electronegatividades, y el ejemplo carbono-carbono ilustró lo que sucede cuando esa diferencia es cero. Una vez que creamos esos mensajes de metas mentales que describen lo que sucede en los extremos, es más fácil imaginar lo que podría suceder en el medio; en este caso, lo que sucede cuando la diferencia en electronegatividad está entre 0 y 2,2. Haremos eso a continuación.

Cuando el intercambio de electrones entre dos átomos unidos covalentemente es casi igual, llamamos a estos enlaces enlaces covalentes no polares. Si, por el contrario, el intercambio de electrones no es igual entre los dos átomos (probablemente debido a una diferencia en las electronegatividades entre los átomos), llamamos a estos enlaces polar covalente cautiverio.

en un polar covalente enlace, los electrones son compartidos de manera desigual por los átomos y son atraídos por un núcleo más que por el otro. Debido a la distribución desigual de electrones entre los átomos en un enlace covalente polar, se desarrolla una carga ligeramente positiva (indicada por δ +) o ligeramente negativa (indicada por δ–) en cada polo del enlace. La carga ligeramente positiva (δ +) se desarrollará en el átomo menos electronegativo, a medida que los electrones sean atraídos más hacia el átomo ligeramente más electronegativo. Se desarrollará una carga ligeramente negativa (δ–) en el átomo más electronegativo. Dado que hay dos polos (los polos positivo y negativo), se dice que el enlace posee un dipolo.

Ejemplos de enlaces covalentes polares y covalentes no polares en moléculas biológicamente relevantes

Enlaces covalentes no polares

Oxígeno molecular

Oxígeno molecular (O2) está formado por una asociación entre dos átomos de oxígeno. Dado que los dos átomos comparten la misma electronegatividad, los enlaces en el oxígeno molecular son covalentes apolares.

Metano

Otro ejemplo de enlace covalente no polar es el enlace C-H que se encuentra en el gas metano (CH4). A diferencia del caso del oxígeno molecular, donde los dos átomos unidos comparten la misma electronegatividad, el carbono y el hidrógeno no tienen la misma electronegatividad; C = 2.55 y H = 2.20 — la diferencia en electronegatividad es 0.35.

Figura 3. Dibujos de líneas moleculares de oxígeno molecular, metano y dióxido de carbono. Atribución: Marc T. Facciotti (trabajo propio)

Algunos de ustedes ahora pueden estar confundidos. Si hay una diferencia de electronegatividad entre los dos átomos, ¿el enlace no es polar por definición? La respuesta es sí y no y depende de la definición de polar que utilice el hablante / escritor. Dado que este es un ejemplo de cómo tomar atajos en el uso de vocabulario específico a veces puede generar confusión, nos tomamos un momento para discutir esto aquí. Vea el intercambio simulado entre un estudiante y un instructor a continuación para obtener una aclaración:

1. Instructor: "En biología, solemos decir que el enlace C-H es no polar".

2. Estudiante: "Pero hay una diferencia de electronegatividad entre C y H, por lo que parece que C debería tener una tendencia ligeramente más fuerte a atraer electrones. Esta diferencia de electronegatividad debería crear una pequeña carga negativa alrededor del carbono y una pequeña carga positiva carga alrededor del hidrógeno ".

3. Estudiante: "Dado que existe una distribución diferencial de carga a través del enlace, parecería que, por definición, esto debería considerarse un enlace polar".

4. Instructor: "De hecho, el vínculo tiene algún pequeño carácter polar".

5. Estudiante: "Entonces, ¿es polar? Estoy confundido".

6. Instructor: "Tiene una pequeña cantidad de carácter polar, pero resulta que para la mayor parte de la química común que encontraremos, esta pequeña cantidad de carácter polar es insuficiente para llevar a una química" interesante ". El enlace es, estrictamente hablando, ligeramente polar, desde un punto de vista práctico es efectivamente no polar. Por lo tanto, lo llamamos no polar ".

7. Estudiante: "Eso es innecesariamente confuso; ¿cómo se supone que voy a saber cuando te refieres estrictamente al 100% no polar, ligeramente polar o funcionalmente polar cuando usas la misma palabra para describir dos de esas tres cosas?"

8. Instructor: "Sí, apesta. La solución es que debo ser lo más claro posible cuando hablo con usted sobre cómo estoy usando el término" polaridad ". También debo informarle que encontrará esto atajo (y otros) que se utilizan cuando sales al campo, y te animo a que empieces a aprender a reconocer lo que se pretende con el contexto de la conversación.

Una analogía del mundo real de este mismo problema podría ser el uso de la palabra "periódico". Puede usarse en una oración para referirse a la empresa que publica algunas noticias, O puede referirse al artículo real que produce la empresa. En este caso, los hablantes nativos de inglés hacen fácilmente la desambiguación, ya que pueden determinar el significado correcto a partir del contexto; los hablantes no nativos pueden estar más confundidos. No te preocupes; a medida que vea más ejemplos de uso de palabras técnicas en la ciencia, también aprenderá a leer los significados correctos de los contextos ".

Aparte:

¿Qué tan grande debería ser la diferencia de electronegatividad para crear un enlace que sea "suficientemente polar" para que decidamos llamarlo polar en biología? Por supuesto, el valor exacto depende de varios factores, pero como regla general, a veces usamos una diferencia de 0,4 como estimación aproximada.

Esta información adicional es puramente para su información. No se le pedirá que asigne polaridad según este criterio en BIS2A. Sin embargo, debe apreciar el concepto de cómo se puede determinar la polaridad utilizando el concepto de electronegatividad. También debe apreciar las consecuencias funcionales de la polaridad (más sobre esto en otras secciones) y los matices asociados con estos términos (como los de la discusión anterior).

Enlaces covalentes polares

los polar covalente enlace se puede ilustrar examinando la asociación entre O y H en el agua (H2O). El oxígeno tiene una electronegatividad de 3,44, mientras que el hidrógeno tiene una electronegatividad de 2,20. La diferencia de electronegatividad es 1,24. Resulta que este tamaño de diferencia de electronegatividad es lo suficientemente grande como para que el dipolo a través de la molécula contribuya al fenómeno químico de interés.

Este es un buen punto para mencionar otra fuente común de confusión entre los estudiantes con respecto al uso del término polar. El agua tiene polar cautiverio. Esta declaración se refiere específicamente a los enlaces O-H individuales. Cada uno de estos enlaces tiene un dipolo. Sin embargo, los estudiantes también escucharán que el agua es un polo molécula. Esto también es cierto. Esta última afirmación se refiere al hecho de que la suma de los dos dipolos de enlace crea un dipolo en toda la molécula. A molécula puede ser no polar pero aún tener algunos enlaces polares.

Figura 4. Una molécula de agua tiene dos enlaces O-H polares. Dado que la distribución de carga en la molécula es asimétrica (debido al número y las orientaciones relativas de los dipolos de enlace), la molécula también es polar. El nombre del elemento y las electronegatividades se informan en la esfera respectiva. Facciotti (trabajo propio)

Para obtener información adicional, vea este breve video para ver una animación de enlaces iónicos y covalentes.

El continuo de enlaces entre covalentes e iónicos.

La discusión de los tipos de enlaces anterior destaca que en la naturaleza verá enlaces en un continuo desde completamente covalentes no polares hasta puramente iónicos, dependiendo de los átomos que interactúan. A medida que avance en sus estudios, descubrirá además que en las moléculas de múltiples átomos más grandes, la localización de los electrones alrededor de un átomo también está influenciada por múltiples factores. Por ejemplo, otros átomos que también están unidos cerca ejercerán una influencia en la distribución de electrones alrededor de un núcleo de una manera que no se explica fácilmente invocando argumentos simples de comparaciones de electronegatividad por pares. Los campos electrostáticos locales producidos por otros átomos no enlazados también pueden influir. La realidad siempre es más complicada que nuestros modelos. Sin embargo, si los modelos nos permiten razonar y predecir con precisión "suficientemente buena" o comprender algunos conceptos subyacentes clave que pueden extenderse más adelante, son bastante útiles.

Bonos clave en BIS2A

En BIS2A, nos ocupamos del comportamiento químico y los enlaces entre átomos en biomoléculas. Afortunadamente, los sistemas biológicos están compuestos por un número relativamente pequeño de elementos comunes (por ejemplo, C, H, N, O, P, S, etc.) y algunos iones clave (por ejemplo, Na +, Cl-, Ca2+, K +, etc.). Comience a reconocer los enlaces que ocurren comúnmente y las propiedades químicas que a menudo vemos que muestran. Algunos enlaces comunes incluyen C-C, C-O, C-H, N-H, C = O, C-N, P-O, O-H, S-H y algunas variantes. Estos se discutirán más a fondo en el contexto de los grupos funcionales. La tarea no es tan abrumadora como parece.

Tenga en cuenta el punto común de confusión de los estudiantes

En esta lectura hemos estado hablando de la polaridad de cautiverio. Es decir, hemos estado aprendiendo a describir la polaridad de un enlace simple que une dos átomos (es decir, ¿cómo se comparten los electrones entre dos átomos distribuidos alrededor de los núcleos respectivos?). En biología también hablamos a veces de la polaridad de un molécula. La polaridad de una molécula es diferente a la polaridad de un enlace dentro de la molécula. Este último se pregunta si toda la molécula tiene un dipolo neto. los moléculas dipolo se puede considerar aproximadamente como la suma de todos sus vínculo dipolos. Por ejemplo, examinemos una molécula de CO2 representada en la figura anterior. Si preguntamos si uno de los C = O cautiverio es polar, concluiríamos que se debe a que el oxígeno es significativamente más electronegativo que el carbono al que está unido covalentemente. Sin embargo, si preguntamos si el molécula O = C = O es polar, concluiríamos que no lo es. ¿Por qué? Mire la figura de CO2 de arriba. Cada CO vínculo tiene un dipolo. Sin embargo, estos dos dipolos apuntan en direcciones directamente opuestas. Si sumamos estos dos vínculo dipolos juntos para obtener el dipolo neto del molécula no obtenemos nada - los dos vínculo los dipolos se "cancelan" entre sí. Por el contrario, si examinamos la estructura del agua de arriba, también vemos que cada O-H vínculo tiene un dipolo. En este caso cuando preguntamos si el molécula tiene un dipolo neto (hecho agregando el vínculo dipolos juntos) vemos que la respuesta es sí. La suma de los dos vínculo dipolos todavía produce un momento dipolar neto. Por tanto decimos que este molécula es polar. Podemos hacer este mismo ejercicio para partes de moléculas siempre que definamos qué parte específica estamos viendo.

Enlaces de hidrógeno

Cuando el hidrógeno forma un enlace covalente polar con un átomo de electronegatividad más alta, la región alrededor del hidrógeno tendrá una carga positiva fraccional (denominada δ+). Cuando esta carga positiva fraccional encuentra una carga negativa parcial (denominada δ-) de otro átomo electronegativo al que NO está unido el hidrógeno, Y se le presenta a esa carga negativa en una orientación adecuada, un tipo especial de interacción llamado enlace de hidrógeno puede formar. Mientras que los químicos todavía están debatiendo la naturaleza exacta del enlace de hidrógeno, en BIS2A, nos gusta concebirlo como una interacción electrostática débil entre el δ+ del hidrógeno y el δ- carga en un átomo electronegativo. Llamamos a la molécula que aporta el átomo de hidrógeno parcialmente cargado "enlace de hidrógeno donante"y el átomo con la carga parcial negativa el" enlace de hidrógeno aceptador. "Se le pedirá que comience a aprender a reconocer los donantes y aceptores de enlaces de hidrógeno biológicos comunes y a identificar los enlaces de hidrógeno putativos a partir de modelos de estructuras moleculares.

Los enlaces de hidrógeno son comunes en biología tanto dentro como entre todos los tipos de biomoléculas. Los enlaces de hidrógeno también son interacciones críticas entre biomoléculas y su disolvente, el agua. Como se ve en la siguiente figura, es común representar enlaces de hidrógeno en figuras con líneas discontinuas.

Figura 1: Se representan dos moléculas de agua formando un enlace de hidrógeno (dibujado como una línea azul discontinua). La molécula de agua en la parte superior "dona" un hidrógeno parcialmente cargado, mientras que la molécula de agua en la parte inferior acepta esa carga parcial al presentar un átomo de oxígeno complementario cargado negativamente.

Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

Grupos funcionales

Un grupo funcional es un grupo específico de átomos dentro de una molécula que es responsable de una característica de esa molécula. Muchas moléculas biológicamente activas contienen uno o más grupos funcionales. En BIS2A, revisaremos los principales grupos funcionales que se encuentran en las moléculas biológicas. Estos incluyen los siguientes: hidroxilo, metilo, carbonilo, carboxilo, amino y fosfato (ver figura 1).

Figura 1. Los grupos funcionales que se muestran aquí se encuentran en muchas moléculas biológicas diferentes. "R" representa cualquier otro átomo o extensión de la molécula.
Atribución: Marc T. Facciotti (trabajo propio adaptado de imagen anterior de fuente desconocida)

Un grupo funcional puede participar en una variedad de reacciones químicas. Algunos de los grupos funcionales importantes en las moléculas biológicas se muestran arriba: hidroxilo, metilo, carbonilo, carboxilo, amino, fosfato y sulfhidrilo (no se muestran). Estos grupos juegan un papel importante en la formación de moléculas como ADN, proteínas, carbohidratos y lípidos. A veces, los grupos funcionales pueden clasificarse en propiedades polares o apolares, según su composición y organización atómicas. El término polar describe algo que tiene una propiedad que no es simétrica: puede tener diferentes polos (más o menos de algo en diferentes lugares). En el caso de enlaces y moléculas, la propiedad que nos interesa suele ser la distribución de electrones y, por tanto, la carga eléctrica entre los átomos. En un enlace o molécula no polar, los electrones y la carga se distribuirán de manera relativamente uniforme. En un enlace polar o una molécula, los electrones tenderán a estar más concentrados en algunas áreas que en otras. Un ejemplo de un grupo no polar es la molécula de metano (consulte la discusión en el capítulo Tipos de enlaces para obtener más detalles). Entre los grupos funcionales polares se encuentra el grupo carboxilo que se encuentra en los aminoácidos, algunas cadenas laterales de aminoácidos y los ácidos grasos que forman triglicéridos y fosfolípidos.

Grupos funcionales no polares

Metilo R-CH3

El grupo metilo es el único grupo funcional apolar en nuestra lista de clases anterior. El grupo metilo consta de un átomo de carbono unido a tres átomos de hidrógeno. En esta clase, trataremos estos enlaces C-H como enlaces covalentes no polares de forma efectiva (más sobre esto en el capítulo Tipos de enlaces). Esto significa que los grupos metilo no pueden formar enlaces de hidrógeno y no interactuarán con compuestos polares como el agua.

Figura 2. El aminoácido isoleucina está a la izquierda y el colesterol a la derecha. Cada uno tiene un grupo metilo encerrado en un círculo rojo. Atribución: creado por Marc T. Facciotti (obra propia adaptada de Erin Easlon)

Los grupos metilo resaltados anteriormente se encuentran en una variedad de compuestos biológicamente relevantes. En algunos casos, el compuesto puede tener un grupo metilo pero aún ser un compuesto polar en general debido a la presencia de otros grupos funcionales con propiedades polares (ver la discusión sobre los grupos funcionales polares a continuación).

A medida que aprendamos más sobre otros grupos funcionales, agregaremos a la lista de grupos funcionales no polares. ¡Manténgase alerta!

Grupos funcionales polares

Hidroxilo R-OH

Un hidroxilo (grupo alcohol) es un grupo -OH unido covalentemente a otro átomo. En las moléculas biológicas, el grupo hidroxilo se encuentra a menudo (pero no siempre) unido a un átomo de carbono, como se muestra a continuación. El átomo de oxígeno es mucho más electronegativo que el hidrógeno o el carbono, lo que hará que los electrones en los enlaces covalentes pasen más tiempo alrededor del oxígeno que alrededor del C o H. Por lo tanto, los enlaces OH y OC en el grupo hidroxilo ser enlaces covalentes polares. La figura 3 muestra las cargas parciales, δ+ y δ-, que están asociados con el grupo hidroxilo.

Figura 3. El grupo funcional hidroxilo que se muestra aquí consiste en un átomo de oxígeno unido a un átomo de carbono y un átomo de hidrógeno. Estos enlaces son covalentes polares, lo que significa que el electrón involucrado en la formación de los enlaces no se comparte por igual entre los enlaces C-O y O-H. Facciotti (trabajo propio)

Figura 4. Los grupos funcionales hidroxilo pueden formar enlaces de hidrógeno, que se muestran como una línea de puntos. El enlace de hidrógeno se formará entre δ - del átomo de oxígeno y el δ + del átomo de hidrógeno. Los dipolos se muestran con flechas azules. Facciotti (obra original)

Los grupos hidroxilo son muy comunes en las moléculas biológicas. Los grupos hidroxilo aparecen en los carbohidratos (A), en algunos aminoácidos (B) y en los ácidos nucleicos (C). ¿Puede encontrar algún grupo hidroxilo en el fosfolípido en (D)?

Figura 5. Los grupos hidroxilo aparecen en los carbohidratos (A, glucosa), en algunos aminoácidos (B, Serina) y en los nucleótidos (C, trifosfato de adenosina). D es un fosfolípido. Atribución: creado por Marc T. Facciotti (obra propia)

Carboxilo R-COOH

El ácido carboxílico es una combinación de un grupo carbonilo y un grupo hidroxilo unidos al mismo carbono, lo que da como resultado nuevas características. El grupo carboxilo puede ionizarse, lo que significa que puede actuar como un ácido y liberar el átomo de hidrógeno del grupo hidroxilo como un protón libre (H+). Esto da como resultado una carga negativa deslocalizada en los átomos de oxígeno restantes. Los grupos carboxilo pueden alternar entre protonados (R-COOH) y desprotonados (R-COO-) estados en función del pH de la solución.

El grupo carboxilo es muy versátil. En su estado protonado, puede formar enlaces de hidrógeno con otros compuestos polares. En su estado desprotonado, puede formar enlaces iónicos con otros compuestos cargados positivamente. Esto tendrá varias consecuencias biológicas que se explorarán más cuando hablemos de las enzimas.

¿Puede identificar todos los grupos carboxilo en las macromoléculas que se muestran arriba en la Figura 5?

Amino R-NH3

El grupo amino consta de un átomo de nitrógeno unido por enlaces simples a los átomos de hidrógeno. Un compuesto orgánico que contiene un grupo amino se llama amina. Al igual que el oxígeno, el nitrógeno también es más electronegativo que el carbono y el hidrógeno, lo que hace que el grupo amino muestre algún carácter polar.

Los grupos amino también pueden actuar como bases, lo que significa que el átomo de nitrógeno puede unirse a un cuarto átomo de hidrógeno, como se muestra en la Figura 6. Una vez que esto ocurre, el átomo de nitrógeno gana una carga positiva y ahora puede participar en enlaces iónicos.

Figura 6. El grupo funcional amina puede existir en un estado desprotonado o protonado. Cuando está protonado, el átomo de nitrógeno está unido a tres átomos de hidrógeno y tiene una carga positiva. La forma desprotonada de este grupo es neutra. Atribución: creado por Erin Easlon (obra propia)

Fosfato R-PO4-

Un grupo fosfato es un átomo de fósforo unido covalentemente a cuatro átomos de oxígeno y contiene un enlace P = O y tres P-O cautiverio. Los átomos de oxígeno son más electronegativos que el átomo de fósforo, lo que da lugar a enlaces covalentes polares. Por lo tanto, estos átomos de oxígeno pueden formar enlaces de hidrógeno con átomos de hidrógeno cercanos que también tienen un δ+(átomos de hidrógeno unidos a otro átomo electronegativo). Los grupos fosfato también contienen una carga negativa y pueden participar en enlaces iónicos.

Los grupos fosfato son comunes en los ácidos nucleicos y en los fosfolípidos (el término "fosfo" se refiere al grupo fosfato en el lípido). En la Figura 7 hay imágenes de un nucleótido, monofosfato de desoxiadenosina (izquierda) y una fosfoserina (derecha).

Figura 7. Un nucleótido, monofosfato de desoxiadenosina, está a la izquierda y la fosfoserina está a la derecha. Cada uno tiene un grupo fosfato encerrado en un círculo rojo.
Atribución: creado por Marc T. Facciotti (obra propia)


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