CA

P

TU

LO

2

El lagarto basilisco y los patinadores sobre hielo aprovechan las propiedades nicas del agua.

tomos, molculas y vida

21

DE UN VISTAZO

E S T U D I O D E C A S O C A M I N A N D O S O B R E E L A G U A

E S T U D I O D E C A S O : Caminando sobre el agua

2.1 Qu son los tomos?Los tomos, las unidades estructurales fundamentales de la

materia, se componen de partculas an ms pequeas

Investigacin cientfica: La radiactividad en la investigacin

2.2 Cmo interactan los tomos para formar molculas?

Los tomos interactan con otros tomos cuando hay vacosen sus capas de electrones ms externas

Los tomos con carga, llamados iones, interactan para formarenlaces inicos

Los tomos sin carga pueden estabilizarse compartiendo electrones para formar enlaces covalentes

Los puentes de hidrgeno son atracciones elctricas entre molculas que tienen enlaces covalentes polares o dentro de stas

2.3 Por qu el agua es tan importante para la vida?El agua interacta con muchas otras molculas

Enlaces con la vida: Alimentacin saludable?Las molculas de agua tienden a mantenerse unidas

Las soluciones en agua pueden ser cidas, bsicas o neutras

El agua modera los efectos de los cambios de temperatura

El agua forma un slido singular: el hielo

OTRO VISTAZO AL ESTUDIO DE CASO Caminandosobre el agua

EN MXICO UNA NIA asusta a un lagartobasilisco que se acerca a un pequeo estan-que en busca de insectos. El animal se alejacorriendo verticalmente sobre sus fuertespatas traseras. Sin embargo, en vez de evitarel agua, el lagarto empieza a dar zancadassobre la superficie del agua en reposo! Lania queda boquiabierta: Ser un mila-gro?, se pregunta. Difcilmente. La selec-cin natural dot al lagarto basilisco conextremidades especialmente rpidas que lepermiten aprovechar una singular propie-dad del agua: su alta tensin superficial. Di-cho en palabras ms sencillas, las molculasde agua tienden a mantenerse unidas. Si lohaces con cuidado, t puedes hacer flotar

un clip sujetapapeles en un recipiente conagua; sin embargo, ste se hundira de in-mediato en alcohol, el cual tiene una ten-sin superficial mucho menor que el agua.

Mucho ms al norte, un patinador girasobre el hielo a una rapidez vertiginosa. Elagua congelada tiene propiedades nicasque hacen que el patinaje sobre hielo seatan divertido como factible. Primero, el hie-lo es resbaladizo, lo cual permite tal proezadel atleta. Segundo, el hielo flota en la su-perficie del agua en vez de hundirse en elfondo. Alguna vez te has preguntado porqu ocurre as? Cuando se congelan la ma-yora de los dems lquidos se convierten enslidos ms densos. Por ejemplo, si el estan-

que para patinar estuviera lleno con aceite,al congelarse, ste se ira al fondo. Los pati-nadores y los lagartos basiliscos aprovechanpropiedades singulares y diferentes delagua en sus estados lquido y slido.

Las diferentes molculas que componenlos organismos vivos funcionan en ambien-tes acuosos. Pero, cmo se forman las mo-lculas de agua? Cmo interactan entre slas molculas de agua y cmo lo hacen conotras formas de materia? Qu propiedadesdan al agua lquida tensin superficial, y ha-cen que se expanda y que se vuelva resba-ladiza al congelarse?

22 Captulo 2 TOMOS, MOLCULAS Y VIDA

Tabla 2-1 Elementos comunes en los organismos vivos

Nmero Porcentaje en elElemento atmicoa cuerpo humanob

Hidrgeno (H) 1 9.5

Helio (He) 2 Traza

Carbono (C) 6 18.5

Nitrgeno (N) 7 3.3

Oxgeno (O) 8 65

Sodio (Na) 11 0.2

Magnesio (Mg) 12 0.1

Fsforo (P) 15 1

Azufre (S) 16 0.3

Cloro (Cl) 17 0.2

Potasio (K) 19 0.4

Calcio (Ca) 20 1.5

Hierro (Fe) 26 Traza

aNmero atmico = nmero de protones en el ncleo atmico.

bPorcentaje aproximado de tomos de este elemento, por peso, en el

cuerpo humano.

2.1 QU SON LOS TOMOS?

Los tomos, las unidades estructurales fundamentalesde la materia, se componen de partculas an mspequeas

Si cortaras un diamante (una forma de carbono) en fragmen-tos, cada trozo seguira siendo carbono. Si pudieras seguir cor-tando los trozos en partes cada vez ms pequeas, a final decuentas llegaras a tener un montn de tomos de carbono.Los tomos son las unidades estructurales fundamentales dela materia. Sin embargo, los tomos en s se componen de unncleo atmico central (a menudo llamado simplemente n-cleo; no lo debes confundir con el ncleo de una clula!), elcual contiene dos tipos de partculas subatmicas con igualpeso: los protones, que tienen carga positiva, y los neutrones,que no tienen carga. Otras partculas subatmicas llamadaselectrones giran alrededor del ncleo atmico (FIGURA 2-1).Los electrones son partculas ms ligeras con carga negativa.Un tomo tiene el mismo nmero de electrones y protones;por lo tanto, es elctricamente neutro.

En la naturaleza hay 92 tipos de tomos, cada uno de loscuales forma la unidad estructural de un elemento diferente.Un elemento es una sustancia que no puede descomponerseni convertirse en otras sustancias mediante procesos qumicosordinarios. El nmero de protones que hay en el ncleo, lla-mado nmero atmico, es caracterstico de cada elemento. Porejemplo, cualquier tomo de hidrgeno tiene un protn en suncleo; cualquier tomo de carbono, seis protones, y cualquiertomo de oxgeno, ocho. Cada elemento posee propiedadesqumicas exclusivas basadas en el nmero y la configuracinde sus partculas subatmicas. Algunos, como el oxgeno y elhidrgeno, son gases a temperatura ambiente, mientras queotros, como el plomo, son slidos extremadamente densos. Lamayora de los elementos son muy escasos y relativamentepocos de ellos resultan indispensables para la vida en la Tie-rra. La tabla 2-1 presenta una lista con los elementos ms co-munes en el cuerpo humano.

Los tomos de un mismo elemento pueden tener distintosnmeros de neutrones. Cuando esto sucede, los tomos se de-nominan istopos de ese elemento.Algunos istopos, aunque notodos, son radiactivos, es decir, se desintegran espontnea-

mente para formar diferentes tipos de tomos y liberan ener-ga en el proceso. Los istopos radiactivos son herramientasmuy tiles en el estudio de procesos biolgicos (vase Inves-tigacin cientfica: La radiactividad en la investigacin).

Los electrones viajan en regiones especficas llamadas

capas de electrones que corresponden a diferentes

niveles de energa

Como quiz sepas si has realizado experimentos con imanes,los polos iguales se repelen y los polos opuestos se atraen.Asimismo, los electrones se repelen mutuamente debido a sucarga elctrica negativa, y son atrados hacia los protones delncleo, que tienen carga positiva. Sin embargo, a causa de surepulsin mutua, slo cantidades limitadas de electrones pue-den ocupar el espacio ms cercano al ncleo. Un tomo gran-de puede dar cabida a muchos electrones, porque stos seencuentran en rbitas cada vez ms alejadas del ncleo. Loselectrones se mueven dentro de espacios tridimensionales li-mitados llamados capas de electrones, cada una de las cualescorresponde a mayores niveles de energa conforme se alejadel ncleo. Por sencillez, dibujamos esas capas como anillosalrededor del ncleo (vase las FIGURAS 2-1 y 2-2).

La capa de electrones ms cercana al ncleo atmico es lams pequea y slo puede contener dos electrones. Los elec-trones en dicha capa estn en el menor nivel de energa. Estaprimera capa es la nica en los tomos de hidrgeno y de he-lio (vase la figura 2-1). La segunda capa, que corresponde aun nivel de energa superior, puede contener hasta ocho elec-trones. Los electrones de un tomo llenan primero la capams cercana al ncleo y luego empiezan a ocupar las capas demayor nivel.As, un tomo de carbono con seis electrones po-see dos en la primera capa (la ms cercana al ncleo) y cua-tro en la segunda capa (vase la figura 2-2). Aunque lostomos grandes pueden tener capas de energa complejas, to-dos los tomos que son importantes para la vida (con excep-cin del hidrgeno) necesitan (o se comportan como sinecesitaran) ocho electrones para completar sus capas msexternas; esto se conoce como regla del octeto.

a)

Hidrgeno (H)

capa de electrones

ncleo

e

p!

b)

Helio (He)

n

n

e

p!

p!

e

FIGURA 2-1 Modelos atmicosRepresentaciones estructurales de los dos tomos ms pequeos:

hidrgeno y b) helio. En estos modelos simplificados, los electro-nes (en azul tenue) se muestran como planetas en miniatura, que

giran en rbitas especficas alrededor de un ncleo que contiene

protones (en caf) y neutrones (en azul intenso).

Los ncleos y las capas de electrones desempean papelescomplementarios en los tomos. Los ncleos (siempre que nosean radiactivos) ofrecen estabilidad, en tanto que las capasde electrones permiten interacciones, o enlaces, con otros to-mos. Los ncleos se resisten a perturbaciones debidas a fuer-zas externas. Las fuentes ordinarias de energa, como el calor,la electricidad y la luz, apenas si los afectan. Como su ncleoes estable, un tomo de carbono sigue siendo carbono, ya seaque forme parte de un diamante, del dixido de carbono o delazcar. Las capas de electrones, en cambio, son dinmicas. Co-mo veremos a continuacin, los tomos se unen entre s ga-nando, perdiendo o compartiendo electrones.

La vida depende de la capacidad de los electrones

para captar y liberar energa

Puesto que las capas de electrones corresponden a niveles deenerga, cuando un tomo se excita usando energa como ca-lor o luz, tal energa provoca que los electrones salten de unacapa de electrones de menor a otra de mayor energa. Pocodespus, el electrn regresa espontneamente a su capa deelectrones original, liberando la energa (FIGURA 2-3).

Nosotros hacemos esto de manera cotidiana. Cuando en-cendemos una bombilla elctrica, la electricidad que fluye atravs del filamento en la bombilla hace que sta se caliente,

y la energa trmica golpea a los electrones del filamento demetal en las capas de electrones de mayor energa. Cuandolos electrones vuelven a sus capas originales, emiten como luzla energa captada. La vida tambin depende de la capacidadde los electrones para captar y liberar energa, como veremosen los captulos 7 y 8 al estudiar la fotosntesis y la respiracincelular.

2.2 CMO INTERACTAN LOS TOMOS PARA FORMAR MOLCULAS?

Los tomos interactan con otros tomos cuando hayvacos en sus capas de electrones ms externas

Una molcula consta de dos o ms tomos del mismo elemen-to, o de elementos distintos, los cuales se mantienen unidosgracias a las interacciones en sus capas de electrones ms ex-ternas. Una sustancia cuyas molculas estn formadas por di-ferentes tipos de tomos se llama compuesto. Los tomosinteractan entre s de acuerdo con dos principios bsicos:

Un tomo no reaccionar con otros tomos si su capa deelectrones ms externa est totalmente llena. Decimos quetal tomo es inerte.

Carbono (C) Oxgeno (O) Fsforo (P) Calcio (Ca)

CaOC P

4e 6e 5e

2e

8e

8e

8e

2e 2e

2e

2e

6p! 8p! 15p! 20p!

6n 8n 16n 20n

FIGURA 2-2 Capas de electrones en los tomosLa mayora de los tomos importantes en biologa tienen al menos dos capas de electrones. La primera y ms cer-

cana al ncleo puede contener dos electrones; la siguiente, un mximo de ocho. Capas ms distantes pueden con-

tener mayor nmero de electrones. PREGUNTA: Por qu los tomos que tienden a reaccionar con otros tomosposeen capas externas que no estn completamente llenas?

1 Un electrn absorbe energa.2 La energa impulsa al electrn

hacia un nivel de energa superior.

3 El electrn regresa a la capa de menor nivel de energa y libera la energa en forma de luz.

energaluz

!

!

!

1. 2. 3.

Un tomo reaccionar con otros tomos si su capa de elec-trones ms externa est slo parcialmente llena. Decimosentonces que tal tomo es reactivo.

Como demostracin de estos principios, considera tres tipos detomos: hidrgeno, helio y oxgeno (vase las figuras 2-1 y 2-2).El hidrgeno (el tomo ms pequeo) tiene un protn en suncleo y un electrn en su nica capa de electrones (que, por lotanto, es la ms externa), la cual puede contener hasta dos elec-trones. El tomo de oxgeno tiene seis electrones en su capa ex-terna, que puede contener ocho. En cambio, el helio tiene dosprotones en su ncleo y dos electrones llenan su nica capa deelectrones. De manera que es factible predecir que los tomosde hidrgeno y de oxgeno, con sus respectivas capas externasparcialmente llenas, son reactivos, mientras que los de helio,

con su capa llena, son estables. Tambin lograramos predecirque los tomos de hidrgeno y de oxgeno pueden ganar esta-bilidad reaccionando entre s. Los nicos electrones de dos to-mos de hidrgeno llenaran la capa externa del tomo deoxgeno, para formar agua (H2O; vase la figura 2-6b). Comopredijimos, el hidrgeno reacciona fcilmente con el oxgeno.Para despegar, el transbordador espacial y otros cohetes utili-zan hidrgeno lquido como combustible. El hidrgeno reac-ciona de forma explosiva con el oxgeno, liberando agua comosubproducto y una inmensa cantidad de calor. En cambio, elhelio, cuya capa externa est llena, es casi totalmente inerte yno reacciona con otras molculas.

Un tomo con su capa de electrones externa parcialmentellena puede adquirir estabilidad al perder electrones (hastaque la capa quede totalmente vaca), al ganar (hasta llenar la

Cmo saben los bilogos que el DNA es el material genticode las clulas (captulo 9)? Cmo miden los paleontlogos laedad de los fsiles (captulo 17)? Cmo saben los botnicosque los azcares producidos en las hojas de las plantas durantela fotosntesis se transportan a otras partes de la planta (captu-lo 42)? Estos descubrimientos, y muchos ms, fueron posiblesgracias al uso de los istopos radiactivos. Durante la desinte-gracin radiactiva, es decir, el proceso mediante el cual un is-topo radiactivo se rompe espontneamente, un istopo emitepartculas que pueden detectarse con instrumentos como loscontadores Geiger.

Un uso especialmente fascinante de los istopos radiactivos,que es importante en medicina, es la tomografa por emisin depositrones, tambin conocida como estudio PET (por las siglasde positron emission tomography) (FIGURA E2-1). En una apli-cacin comn de los estudios PET, el paciente recibe azcarglucosa que se marca al agregarle un istopo radiactivo inocuodel flor. Cuando el istopo se desintegra, emite dos destellosde energa que viajan en direcciones opuestas. Los detectores deenerga en un anillo alrededor de la cabeza del paciente captanlas emisiones, registrando los tiempos de llegada casi simult-nea de los dos destellos de energa provenientes de cada par-tcula que se desintegra. Luego, una computadora potentecalcula el lugar dentro del cerebro donde se efectu la desinte-gracin y genera un mapa a color de la frecuencia de desintegra-

ciones en cierta rebanada del cerebro. Cuanto ms activa seauna regin del cerebro, usar ms glucosa como fuente deenerga y se concentrar ms radiactividad en ella. Por ejemplo,las clulas de tumores se dividen rpidamente y tienen un con-sumo alto de glucosa; en los estudios PET aparecen comomanchas calientes (vase la figura E2-1c). Las regiones nor-males del cerebro activadas por una tarea mental especfica (co-mo un problema matemtico) tambin tendrn una mayordemanda de glucosa, lo cual se detecta con estudios PET. Deesta forma, los mdicos emplean estos ltimos para diagnosticarpadecimientos neurolgicos; en tanto que los investigadoreslos utilizan para averiguar qu regiones del cerebro se activansegn los distintos procesos mentales.

El desarrollo de los estudios PET requiri la cooperacin es-trecha entre bilogos y mdicos (quienes reconocieron la nece-sidad del escaneo cerebral y son capaces de interpretar losdatos de ste), qumicos (quienes desarrollaron y sintetizaronlas sondas radiactivas), fsicos (quienes interpretaron la natura-leza de los istopos y sus emisiones de energa) e ingenieros(quienes disearon y construyeron las computadoras, as comootros dispositivos electrnicos). El constante trabajo en equipode cientficos de distintas reas promete ms avances en lacomprensin fundamental de los procesos biolgicos y en susaplicaciones ms comunes como los estudios PET.

La radiactividad en la investigacinINVESTIGACIN CIENTFICA

anillo detector

a) c)b)

La cabeza del paciente se coloca dentro de un anillo de detectores.

La desintegracin radiactiva libera partculas energticas que activan los detectores.

El rojo indica la mayor radiactividad; y el azul, la ms baja. Un tumor cerebral maligno se distingue claramente en rojo.

La computadora compara los tiempos de llegada y calcula la ubicacin de la desintegracin.

FIGURA E2-1 Cmo funciona la tomografa por emisin de positrones

capa), o al compartirlos con otro tomo (en cuyo caso ambostomos se comportarn como si su capa externa estuviera lle-na). Los resultados de perder, ganar y compartir electronesson los enlaces qumicos: fuerzas de atraccin que mantienenunidos a los tomos de las molculas. Cada elemento tienepropiedades de enlace qumico que son resultado de la confi-guracin de electrones en su capa externa. Las reacciones qu-micas la creacin y ruptura de enlaces qumicos para formarnuevas sustancias son indispensables para el mantenimientode la vida y para el funcionamiento de la sociedad moderna.Ya sea que se efecten en clulas vegetales al captar energasolar, en el cerebro al formar nuevos recuerdos o en el motorde un automvil al consumir gasolina, las reacciones qumicasimplican la creacin de nuevos enlaces y/o la ruptura de enla-ces existentes. Hay tres tipos fundamentales de enlaces qumi-cos: enlaces inicos, enlaces covalentes y puentes de hidrgeno(tabla 2-2).

Los tomos con carga, llamados iones, interactanpara formar enlaces inicos

Tanto los tomos que tienen una capa externa de electro-nes casi vaca como aquellos que la tienen casi llena pue-den estabilizarse perdiendo (hasta vaciar la capa externa)o ganando electrones (hasta llenar la capa externa). La for-macin de la sal de mesa (cloruro de sodio) demuestra esteprincipio. El sodio (Na) slo tiene un electrn en su capa ex-terna de electrones; y el cloro (Cl) tiene siete electrones en sucapa externa, es decir, slo le falta uno para llenarla (FIGURA2-4A).

El sodio, por lo tanto, puede estabilizarse cediendo al clo-ro el electrn de su capa externa, con lo cual esa capa quedavaca; as, el cloro llena su capa externa con ese electrn quegana. Los tomos que perdieron o ganaron electrones, alte-rando el equilibrio entre protones y electrones, quedan carga-

Tabla 2-2 Tipos comunes de enlaces en las molculas biolgicas

Tipo Interaccin Ejemplo

Enlace inico Se transfiere un electrn, creando Ocurre entre los iones de sodio (Na+) yiones positivos y negativos, que se cloruro (Cl ) de la sal de mesa (NaCl)atraen mutuamente.

Enlace covalente Se comparten pares de electrones.

No polar Se comparten partes iguales. Ocurre entre los dos tomos de oxgeno en el gas oxgeno (O2)

Polar Se comparten de forma desigual. Ocurre entre los tomos de hidrgeno yoxgeno de una molcula de agua (H2O)

Puente de hidrgeno La carga ligeramente positiva de un tomo de Ocurre entre molculas de agua; lashidrgeno que interviene en un enlace covalente cargas ligeramente positivas en elpolar atrae a la carga ligeramente negativa en hidrgeno atraen a las cargas ligeramenteun tomo de oxgeno o de nitrgeno negativas en los tomos de oxgeno deque interviene en un enlace covalente polar. las molculas contiguas.

tomo de sodio (neutro)

17p!11p!

11n

11p!11n

tomo de cloro (neutro)

18n

17p!18n

Na!

Cl

Cl

Na!

Cl

Cl

Na!

Na!

Cl

Ion sodio (!) Ion cloruro ( )

a)

b)

c)

Electrn transferido

Atraccin entre cargas opuestas

Un compuesto inico: NaCI

FIGURA 2-4 Formacin de iones y enlaces inicosa) El sodio slo tiene un electrn en su capa externa de electro-nes; el cloro, siete. b) El sodio logra estabilizarse perdiendo unelectrn y el cloro puede estabilizarse ganando uno. As, el tomo

de sodio se convierte en un ion con carga positiva, y el de cloro,

en un ion con carga negativa. c) Como las partculas con cargaopuesta se atraen mutuamente, los iones sodio (Na+) y cloruro

(CI!) resultantes se acomodan estrechamente en un cristal de sal,

NaCI. (Imagen en recuadro). La organizacin de iones en la sal pro-

voca la formacin de cristales en forma de cubo.

dos. Estos tomos cargados se llaman iones. Para formar clo-ruro de sodio, un tomo de sodio pierde un electrn y, por lotanto, se convierte en un ion sodio con carga positiva (Na+);un tomo de cloro capta ese electrn y se convierte en un ioncloruro con carga negativa (Cl ) (FIGURA 2-5).

26 Captulo 2 TOMOS, MOLCULAS Y VIDA

Na Cl

!

FIGURA 2-5 Enlace inico.

de electrones se llama enlace covalente no polar (FIGURA 2-7).Considera el tomo de hidrgeno, el cual tiene un electrn enuna capa donde caben dos. Este tomo puede adquirir una es-tabilidad razonable si comparte su nico electrn con otrotomo de hidrgeno, para formar una molcula de gas hidr-geno (H2), donde cada tomo se comporta casi como si tuvie-ra dos electrones en su capa externa.

a) enlace covalente no polar b) Enlace covalente polar

(sin carga)

Hidrgeno(H

2 o H H)

(oxgeno: ligeramente negativo)(!)

( ) ( )

Agua(H

2O o H O H)

(hidrgeno: ligeramente positivo)

8p

8n

!

!

!

!

! !

!

!

!!

!

!

menorcargapositiva

los electrones pasan ms tiempo cerca del ncleo ms grande.los electrones

pasan el mismo tiempo cerca de cada ncleo.

mayor carga positiva

la misma carga en ambos ncleos

(sin carga)

H H

FIGURA 2-7 Enlace covalente no polar.

Los dos iones se mantienen unidos mediante enlaces inicos:la atraccin elctrica entre iones con carga positiva y iones concarga negativa (FIGURA 2-4B). Los enlaces inicos entre los io-nes sodio y cloruro forman los cristales que contienen disposi-ciones ordenadas repetitivas de los dos iones; llamamos sal demesa a dicha sustancia (FIGURA 2-4C). Como veremos msadelante, el agua rompe fcilmente enlaces inicos.

Los tomos sin carga pueden estabilizarse compartiendo electrones para formar enlaces covalentes

Un tomo con su capa de electrones externa parcialmente lle-na tambin puede estabilizarse compartiendo electrones conotro tomo para formar un enlace covalente (FIGURA 2-6).

El electrn que se comparte determina si un enlace

covalente es polar o no polar

Al igual que dos nios que jalan entre s un oso de felpa paraquedarse con l, en un enlace covalente los electrones son ja-lados en direcciones opuestas por los ncleos de los tomosque intervienen. Si los nios tienen igual fuerza, el oso semantendr estirado entre ambos.Asimismo, ncleos atmicosde igual carga compartirn electrones a partes iguales entres. Un enlace covalente que implica compartir partes iguales

Dos tomos de oxgeno tambin comparten electrones deigual forma y cada uno contribuye con dos electrones paraproducir una molcula de gas oxgeno (O2), que tiene un en-lace covalente doble. Como los dos ncleos en H2 y en O2 sonidnticos, sus ncleos atraen al electrn de la misma forma;por consiguiente, los electrones compartidos pasan igualtiempo cerca de cada ncleo. As, la molcula no slo es elc-tricamente neutra o sin carga, sino que cada extremo, o polo,de la molcula tambin es elctricamente neutro. Tales mol-culas y las molculas biolgicas como las grasas que se for-man con enlaces covalentes no polares se conocen comomolculas no polares (vase la figura 2-6a).

En muchas molculas que forman enlaces covalentes, unncleo tiene una carga positiva mayor que el otro y por elloatrae a los electrones con ms fuerza. As como un nio msfuerte ser capaz de jalar el oso de felpa ms cerca de s mis-mo, los electrones pasarn ms tiempo cerca del ncleo msgrande y ms positivo, y menos cerca del ncleo ms peque-o. De esta manera, el tomo ms grande adquiere una carga

FIGURA 2-6 Los enlaces covalentes implican compartir electronesentre tomos

En el gas hidrgeno se comparte un electrn de cada tomo de

hidrgeno para formar un enlace covalente no polar sencillo. b) Aloxgeno le faltan dos electrones para llenar su capa externa, as

que puede formar un enlace covalente polar con dos tomos de

hidrgeno para formar agua. El oxgeno ejerce una mayor atraccin que el hidrgeno sobre los electrones, as que el extremo de la mo-

lcula donde est el oxgeno posee una pequea carga negativa ( ), mientras que el extremo donde est el hidrgeno cuenta con una

pequea carga positiva (+). PREGUNTA: En los enlaces polares de agua, por qu la atraccin del oxgeno sobre los electrones es mayorque la del hidrgeno?

CMO INTERACTAN LOS TOMOS PARA FORMAR MOLCULAS? 27

( )( )

H H

O

(!)

FIGURA 2-8 Enlaces covalentes polares en el agua

ligeramente negativa ( ) de las cercanas del electrn, y eltomo ms pequeo adquiere una carga positiva pequea (+).Esta situacin produce un enlace covalente polar (FIGURA 2-8).Aunque la molcula en su totalidad es elctricamente neutra,tiene polos cargados. En el agua, por ejemplo, el oxgeno atraeelectrones con ms fuerza que el hidrgeno, por lo que el ex-tremo de la molcula donde est el oxgeno es ligeramentenegativo y cada hidrgeno es ligeramente positivo (vase lafigura 2-6b). El agua es un ejemplo de una molcula polar.

nes impares en sus capas externas. Este tipo de molcula, quese conoce como radical libre, es muy inestable. La mayora delos radicales libres reaccionan fcilmente con molculas cer-canas, captando electrones para llenar sus capas externas. Pe-ro cuando un radical libre roba un electrn de la molculaque ataca, crea un nuevo radical libre y empieza una reaccinen cadena que puede conducir a la destruccin de molculasbiolgicas que son fundamentales para la vida. La muerte ce-lular provocada por radicales libres contribuye a una ampliagama de padecimientos humanos, entre los que destacan en-fermedades del corazn y trastornos del sistema nervioso co-mo el mal de Alzheimer. Mediante el dao que causan almaterial gentico, los radicales libres tambin pueden provo-car ciertas formas de cncer. Muchos cientficos creen que el

Casi todas las molculas biolgicas emplean

enlaces covalentes

Los enlaces covalentes son esenciales para la vida. Como lasmolculas biolgicas deben funcionar en un ambiente acuosodonde los enlaces inicos se rompen con facilidad, los tomosde la mayora de las molculas biolgicas, como las de prote-nas, azcares y celulosa, se mantienen unidas por enlaces co-valentes. El hidrgeno, el carbono, el oxgeno, el nitrgeno, elfsforo y el azufre son los tomos que ms comnmente seencuentran en las molculas biolgicas. El hidrgeno puedeformar un enlace covalente con un tomo ms; el oxgeno y elazufre pueden hacerlo con dos tomos ms; el nitrgeno, contres, y el fsforo y el carbono, con cuatro (tabla 2-3). El fsfo-ro es extrao, pues aunque tiene slo tres espacios en su capaexterna, puede formar hasta cinco enlaces covalentes con cua-tro tomos ms. Tal diversidad de enlaces permite construirmolculas biolgicas con variedad y complejidad enormes.

Los radicales libres son altamente reactivos

y pueden daar las clulas

Algunas reacciones, en especial aquellas que se llevan a caboen las clulas que procesan energa, producen molculas quetienen tomos (a menudo de oxgeno) con uno o ms electro-

Tabla 2-3 Patrones de enlace de los tomos que se encuentran comnmente en las molculas biolgicas

Capacidad de la capa Electrones en Nmero de enlaces covalentes Patronestomo de electrones externa la capa externa que normalmente forma comunes de enlace

Hidrgeno 2 1 1

Carbono 8 4 4

Nitrgeno 8 5 3

Oxgeno 8 6 2

Fsforo 8 5 5

Azufre 8 6 2

P

OO

CCCC

H

NNN

S

FIGURA 2-9 Dao de los radicales libresEl envejecimiento es parcialmente resultado de la acumulacin del

dao de radicales libres en las molculas biolgicas que compo-

nen nuestro cuerpo. Por ejemplo, la radiacin solar puede ocasio-

nar la formacin de radicales libres en la piel, daando as las

molculas que le dan elasticidad y contribuyendo con la formacin

de arrugas conforme tenemos mayor edad. PREGUNTA: Cmodaan los radicales libres a las molculas biolgicas?

28 Captulo 2 TOMOS, MOLCULAS Y VIDA

deterioro gradual del cuerpo que acompaa al envejecimien-to es resultado, al menos parcialmente, de la acumulacin deldao de los radicales libres durante una vida de exposicin ala radiacin solar (FIGURA 2-9). La radiacin (como la solar y la de los rayos X), los gases de combustin de los automvi-les y los metales industriales (como mercurio y plomo) tam-bin pueden entrar a nuestro cuerpo y producir radicaleslibres. Por fortuna, algunas molculas llamadas antioxidantesreaccionan con los radicales libres y combaten el dao queocasionan. Nuestro cuerpo sintetiza varios antioxidantes yotros se obtienen mediante una dieta saludable. Las vitaminasE y C son antioxidantes, al igual que una variedad de sustan-cias que se encuentran en las frutas y las verduras. Para saberms acerca de otra fuente de antioxidantes, consulta Enlacescon la vida: Alimentacin saludable?.

Los puentes de hidrgeno son atracciones elctricasentre las molculas que tienen enlaces covalentes polares o dentro de stas

Debido a la naturaleza polar de sus enlaces covalentes, lasmolculas polares cercanas, como las del agua, se atraen mu-tuamente. Los tomos de oxgeno de algunas molculas de agua,al tener carga parcial negativa, atraen a los tomos de hidr-geno con carga parcial positiva de otras molculas de aguacercanas. Tal atraccin elctrica se denomina puente de hidr-geno (FIGURA 2-10). Al igual que los nios que se toman conlas manos sudorosas en un da caluroso, los puentes de hidr-geno individuales de agua lquida se rompen con facilidad yse vuelven a formar, permitiendo que el agua fluya con liber-tad. Como veremos, los puentes de hidrgeno entre las molcu-las confieren al agua varias propiedades poco comunes queson indispensables para la vida en nuestro planeta.

Los puentes de hidrgeno son importantes en las molculasbiolgicas. Existen en molculas biolgicas comunes, donde elhidrgeno se enlaza con el nitrgeno o con el oxgeno, comoocurre con las protenas y el DNA. En cada caso, los enlacescovalentes polares producen una carga ligeramente positivaen un tomo de hidrgeno y una carga ligeramente negativa enel tomo de oxgeno o de nitrgeno, el cual atrae los electro-nes con mayor fuerza que el hidrgeno. Las partes polares resultantes de las molculas pueden formar puentes de hidr-geno con agua, con otras molculas biolgicas o con partespolares de la misma molcula. Aunque los puentes de hidr-geno individuales son muy dbiles en relacin con los enlacesinicos o covalentes, muchos de ellos, juntos, adquieren unafuerza considerable. Como veremos en el captulo 3, los puen-tes de hidrgeno juegan un papel fundamental en la forma-cin de las estructuras tridimensionales en las protenas. En elcaptulo 9 descubriremos su importancia para el DNA.

2.3 POR QU EL AGUA ES TAN IMPORTANTEPARA LA VIDA?

Como seal en forma tan elocuente el naturalista Loren Ei-seley: Si hay magia en este planeta, est contenida en elagua. El agua es extraordinariamente abundante en la Tie-rra, tiene propiedades poco comunes y es tan esencial para lavida que merece un estudio especial. Es muy probable que la vida haya surgido en las aguas de la Tierra primitiva. Los or-ganismos vivos an contienen entre un 60 y un 90% de agua,

y toda la vida depende de manera estrecha de las propiedadesdel agua. Por qu el agua es tan indispensable para la vida?

El agua interacta con muchas otras molculas

El agua interviene en muchas de las reacciones qumicas queocurren en las clulas vivas. El oxgeno que las plantas verdesliberan al aire se extrae del agua durante la fotosntesis. Alelaborar una protena, una grasa, un cido nucleico o un az-car, nuestro cuerpo produce agua; en cambio, cuando nuestrocuerpo digiere las protenas, las grasas y los azcares de losalimentos que comemos, se utiliza agua en las reacciones.Por qu el agua es tan importante en las reacciones qumicasbiolgicas?

El agua es un excelente disolvente, es decir, puede disolveruna amplia gama de sustancias, como protenas, sales y azca-res. El agua u otros disolventes que contienen sustancias di-sueltas forman soluciones. Recuerda que un cristal de sal demesa se mantiene unido por la atraccin elctrica entre los io-nes sodio positivos y los iones cloruro negativos (vase la fi-gura 2-4c). Puesto que el agua es una molcula polar, tienepolos tanto positivos como negativos. Si un cristal de sal se in-troduce en agua, los extremos de hidrgeno con carga positi-va de las molculas de agua sienten atraccin por los ionescloruro con carga negativa y los rodean, en tanto que los po-los de oxgeno de las molculas de agua con carga negativasienten atraccin por los iones sodio positivos y los rodean.

FIGURA 2-10 Puentes de hidrgenoAl igual que los nios que se toman con las manos sudorosas, las

cargas parciales en diferentes partes de las molculas de agua pro-

ducen fuerzas de atraccin dbiles llamadas puentes de hidrgeno

(lneas punteadas) entre los tomos de oxgeno y de hidrgeno en

molculas de agua contiguas. Conforme el agua fluye, dichos puen-

tes se rompen y se vuelven a formar una y otra vez.

POR QU EL AGUA ES TAN IMPORTANTE PARA LA VIDA? 29

Las frutas y las verduras, en especial las de colores amarillo,anaranjado o rojo, no slo contienen vitaminas C y E, sino tam-bin otros antioxidantes; pero, sabas que el chocolate (FIGU-RA E2-2), a veces considerado una delicia pecaminosa y amenudo una fuente de culpabilidad por quienes se dan el gus-to de disfrutarlo, contiene antioxidantes y podra considerarseun alimento saludable? Aun cuando es extremadamente difcilrealizar estudios controlados sobre los efectos de los antioxi-dantes en la dieta del ser humano, hay evidencia de que las die-tas altas en antioxidantes pueden ser benficas. La baja incidenciade enfermedades cardiacas entre los franceses (muchos de loscuales ingieren una dieta relativamente alta en grasas), porejemplo, se ha atribuido parcialmente a los antioxidantes en elvino que su poblacin consume de modo regular. Los francesestambin ingieren ms frutas y verduras que los estadounidenses(excepto las papas a la francesa atiborradas de grasa que seconsumen ms en Estados Unidos que en Francia). Los suple-mentos antioxidantes abundan en los catlogos de nutricin yen las tiendas de productos bsicos y alimentos saludables.

Ahora, por asombroso que parezca, los investigadores noshan dado un pretexto para comer chocolate sin sentirnos culpa-bles! El polvo de cocoa (el polvo amargo y oscuro que se ela-bora con las semillas que hay en las vainas de cacao; vase lafigura E2-2) contiene altas concentraciones de flavonoides, queson potentes antioxidantes y se relacionan qumicamente conlos que tiene el vino. No se han realizado estudios para deter-minar si un consumo elevado de chocolate reduce el riesgo depadecer cncer o enfermedades del corazn, pero sin duda nofaltarn voluntarios para tales investigaciones. Es importante to-mar en cuenta que los chocolates ms pecaminosamente deli-

ciosos contienen altas cantidades de grasa y azcar, y el hechode engordar por darse el gusto de demasiados chocolates po-dra contrarrestar cualesquiera efectos positivos del polvo decocoa puro. No obstante, los chocoadictos esbeltos tienenbuenos motivos para relajarse y disfrutar!

Alimentacin saludable?ENLACES CON LA VIDA

Cuando las molculas de agua envuelven los iones sodio ycloruro, y les impiden interactuar, los iones se separan delcristal y se pierden en el agua; entonces, la sal se disuelve (FI-GURA 2-11).

El agua tambin disuelve molculas que se mantienen uni-das por enlaces covalentes polares. Sus polos positivo y nega-tivo son atrados hacia regiones con carga opuesta de lasmolculas de la sustancia que se est disolviendo. Los iones ylas molculas polares se llaman hidroflicos (del griego, queaman el agua) por la atraccin elctrica que experimentanhacia las molculas de agua. Muchas molculas biolgicas, en-tre ellas los azcares y los aminocidos, son hidroflicas y sedisuelven fcilmente en agua. El agua tambin disuelve gasesno polares como el oxgeno y el dixido de carbono. Estasmolculas son lo suficientemente pequeas como para ajus-tarse en los espacios entre las molculas de agua, sin alterarsus puentes de hidrgeno. Los peces que nadan bajo el hieloen un lago congelado dependen del oxgeno que se disolviantes de que se formara el hielo y liberan CO2

Cl

O

Cl

Cl

Cl Cl

H

H

H

H

Na!

Na!

Na!

Na!

Na!

O

FIGURA 2-11 El agua como disolventeCuando un cristal de sal se introduce en agua, sta rodea los iones

sodio y cloruro con los polos de carga opuesta de sus molculas.

Los iones se dispersan conforme las molculas de agua que los ro-

dean los aslan de la atraccin de otras molculas, y el cristal se di-

suelve gradualmente.

FIGURA E2-2 ChocolateEl polvo de cocoa se obtiene de las semillas de cacao conteni-

das en las vainas del cacao (imagen en recuadro), que crecen en

rboles de las regiones tropicales del Continente Americano.

conocemos y la evolucin de la vida terrestre sin duda habraseguido un camino muy distinto. Ya sea la sensacin de ardorque produce un panzazo, la capacidad de un lagarto paracorrer sobre el agua o la subida de sta por un rbol, la causade todo ello son los puentes de hidrgeno entre las molculasde agua.

El agua tiene otra propiedad, la adhesin

30 Captulo 2 TOMOS, MOLCULAS Y VIDA

FIGURA 2-12 El agua y elaceite no se mezclanSe verti aceite amarillo

en este vaso de precipita-

dos con agua y el aceite

sube hacia la superficie.

El aceite flota porque es

ms ligero que el agua y

forma gotitas debido a

que es una molcula no

polar hidrofbica, la cual

no es atrada hacia las

molculas polares del

agua.

tante, el agua ejerce un efecto importante sobre tales molcu-las. Los aceites, por ejemplo, forman glbulos cuando se vier-ten en agua (FIGURA 2-12) como en un caldo de pollo.

Las molculas de aceite en el agua rompen la formacin depuentes de hidrgeno entre molculas de agua contiguas.Cuando una molcula de aceite encuentra a otras en agua, sussuperficies no polares se juntan, rodeadas por molculas deagua, que forman puentes de hidrgeno entre s, pero no conel aceite. Por ello, las molculas de aceite se mantienen juntasformando gotitas. Puesto que el aceite es ms ligero que elagua, esas gotitas flotan en la superficie del agua. La tenden-cia de las molculas de aceite a agruparse en el agua se des-cribe como una interaccin hidrofbica. Como veremos en elcaptulo 5, las membranas de las clulas vivas deben gran par-te de su estructura a interacciones hidrofbicas.

Las molculas de agua tienden a mantenerse unidas

Adems de interactuar con otras molculas, las molculas deagua interactan entre s. Como los puentes de hidrgeno in-terconectan molculas de agua, el agua lquida tiene gran co-hesin; es decir, las molculas de agua tienden a mantenersejuntas. La cohesin entre las molculas de agua en la superfi-cie del lquido produce tensin superficial, que es la tendenciade la superficie del agua a resistir sin romperse. Si alguna vezhas cado de panzazo en una alberca, descubriste en carnepropia la fuerza de la tensin superficial. sta puede sostenerhojas cadas, as como a algunas araas, a ciertos insectosacuticos (FIGURA 2-13A) e incluso a un lagarto basilisco co-rredor.

Un papel ms importante de la cohesin del agua para lavida se observa en las plantas terrestres. Puesto que las plan-tas absorben agua por la raz, cmo llega a las partes que es-tn arriba del suelo, en especial si se trata de una secuoya de100 metros de altura (FIGURA 2-13B)? Como veremos en elcaptulo 42, las hojas tiran de las molculas de agua, llenandodiminutos tubos que conectan las hojas, el tronco y las races.Las molculas de agua que se evaporan de las hojas tiran delagua hacindola subir por los tubos, como si fuera una cade-na de la que se tira desde arriba. El sistema funciona porquelos puentes de hidrgeno que unen las molculas del agua sonms fuertes que el peso del agua en los tubos (aunque lleguea 100 metros de altura); as, no se rompe la cadena de agua.Sin la cohesin del agua, no habra plantas terrestres como las

(b)b)

(a)a)

FIGURA 2-13 Cohesin entre molculas de aguaa) Mantenindose a flote gracias a la tensin superficial, la araapescadora corre sobre el agua para atrapar un insecto. b) En lassecuoyas gigantes, la cohesin mantiene juntas las molculas de

agua en hilos continuos, que van de las races a las hojas ms al-

tas, las cuales pueden alcanzar hasta 90 metros de altura.

POR QU EL AGUA ES TAN IMPORTANTE PARA LA VIDA? 31

delgado o en un tubo de ensayo, veremos que la superfice escurva; el agua busca subir por las paredes del vidrio por su ad-hesin a la superficie del vidrio y por la cohesin entre lasmolculas de agua.

Las soluciones en agua pueden ser cidas, bsicas y neutras

Aunque el agua en general se considera un compuesto esta-ble, una pequea fraccin de molculas de agua se ioniza; esdecir, se dividen en iones hidrgeno (H+) y en iones hidrxi-do (OH) (FIGURA 2-14).

Sin embargo, en muchas soluciones las concentraciones deH+ y de OH no son iguales. Si la concentracin de H+ exce-de la concentracin de OH , la solucin es cida. Un cido esuna sustancia que libera iones hidrgeno cuando se disuelveen agua. Por ejemplo, si aadimos cido clorhdrico (HCl) alagua pura, casi todas las molculas de HCl se separarn paraformar iones H+ y Cl . Por lo tanto, la concentracin de H+ ex-ceder significativamente la concentracin de OH y la solu-cin resultante ser cida. Muchas sustancias cidas, como eljugo de limn y el vinagre, tienen un sabor amargo. Ello se de-be a que los receptores de sabor amargo en la lengua se hanespecializado para responder al exceso de H+.

Si la concentracin de OH es mayor, la solucin ser bsi-ca. Una base es una sustancia que se combina con iones hidr-geno, con lo cual reduce su nmero. Por ejemplo, si agregamoshidrxido de sodio (NaOH) al agua, las molculas de NaOHse dividirn en iones Na+ y OH . Los OH se combinan conH+ y reducen su nmero; entonces la solucin ser bsica.

El grado de acidez se expresa en la escala de pH (FIGURA2-15), en la que el valor 7 se asigna a la neutralidad (cantida-des iguales de H+ y OH ). El agua pura, con concentracionesiguales de H+ y OH , tiene un pH de 7. Los cidos tienen unpH menor que 7; y las bases, uno mayor que 7. Cada unidadde la escala de pH representa un cambio de 10 veces en laconcentracin de H+. As, una bebida de cola con un pH de 3tiene una concentracin de H+ 10,000 veces mayor que la delagua, cuyo valor de pH es 7.

O

HH

O H

H

ion hidrgenoion hidrxidoagua(H2O) (OH ) (H!)

!

(!)( )

FIGURA 2-14 Algunas molculas de agua se ionizan.

Un ion hidrxido tiene carga negativa porque ha ganadoun electrn del tomo de hidrgeno. Al perder un electrn, eltomo de hidrgeno se convierte en un ion hidrgeno concarga positiva. El agua pura contiene concentraciones igualesde iones hidrgeno y de iones hidrxido.

cid

o c

lorh

dri

co (H

Cl)

1 m

ola

r

acid

ez e

sto

mac

al (2

)ju

go

de

lim

n (2

.3)

llu

via

cid

a

(2.5

a 5

.5)

tom

ate

s,

cerv

eza (4.1

)

caf

neg

ro (5.0

)

llu

via

no

rmal (5

.6)

ag

ua d

el g

rifo

, le

ch

e (6.4

)

ag

ua p

ura

(7.0

)

ag

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ar

(7.8

a 8

.3)

bic

arb

on

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io (8.4

)

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(9.9

)

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casero

(11.9

)

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ara

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za (12)

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pia

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s (13.0

)

hid

rxid

o d

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io (N

aO

H)

1 m

ola

r

0 1 2 3 4

5 6 7 8 9

10 11 12 13 14

valor depH

Concentracin de H! en molculas/litro

100 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11 10 12 10 13 10 14

neutral

(H! " OH )

(H! ! OH ) (H! " OH )

vin

ag

re, b

eb

idas

de c

ola

(3.0

)

ori

na (5.7

)

saliva, san

gre

, su

do

r (7

.4)

dete

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tes d

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loro

(12.6

)

imp

iad

or

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dre

naje

(14.0

)

nara

nja

(3.5

)

cada vez ms cido cada vez ms bsico

FIGURA 2-15 La escala de pHLa escala de pH refleja la concentracin de iones hidrgeno en una solucin. El pH (escala superior) es el valor negativo de

la concentracin de H+ (escala inferior). Cada unidad de la escala representa un cambio de 10 veces. El jugo de limn, por

ejemplo, es cerca de 10 veces ms cido que el jugo de naranja, en tanto que las lluvias cidas ms graves e intensas en el

noreste de Estados Unidos son casi 1000 veces ms cidas que la lluvia normal. Con la excepcin del interior de nuestro es-

tmago, casi todos los fluidos del cuerpo humano estn ajustados con gran precisin a un pH de 7.4.

32 Captulo 2 TOMOS, MOLCULAS Y VIDA

Los amortiguadores ayudan a mantener

las soluciones en un pH relativamente constante

En casi todos los mamferos, incluidos los seres humanos, tan-to el interior de la clula (citoplasma) como los fluidos que labaan son casi neutros (pH de entre 7.3 y 7.4). Aumentos odisminuciones pequeos en el pH podran causar cambiosdrsticos tanto en la estructura como en el funcionamiento de lasmolculas biolgicas, provocando la muerte de algunas clulaso de todo el organismo. No obstante, las clulas vivas bullencon reacciones qumicas que captan o generan H+. Cmo,entonces, el pH se mantiene generalmente constante? La res-puesta radica en los muchos amortiguadores que se encuen-tran en los organismos vivos. Un amortiguador (buffer) es uncompuesto que tiende a mantener una solucin a un pH cons-tante captando o liberando H+, en respuesta a cambios pe-queos en la concentracin de H+. Si aumenta laconcentracin de H+, los amortiguadores se combinan conellos; si disminuye la concentracin de H+, los amortiguadoresliberan H+. De manera que la concentracin de H+ vuelve asu nivel original. Entre los amortiguadores que suelen hallar-se en los organismos vivos estn el bicarbonato (HCO3

) y elfosfato (H2PO4

y HPO42

+, dependiendo de las circunstancias. Si la sangre se vuelvedemasiado cida, por ejemplo, el bicarbonato acepta H+ paraformar cido carbnico:

Si la sangre se vuelve demasiado bsica, el cido carbnicolibera iones hidrgeno, los cuales se combinan con los ioneshidrxido en exceso para formar agua:

En ambos casos, el resultado es que el pH de la sangre semantiene cerca de su valor normal.

El agua modera los efectos de los cambios de temperatura

Nuestro cuerpo y los cuerpos de otros organismos slo puedensobrevivir dentro de un intervalo de temperaturas limitado.Como veremos en el captulo 6, las temperaturas elevadas lle-gan a daar enzimas que dirigen las reacciones qumicas indis-pensables para la vida. Las temperaturas bajas tambin sonpeligrosas, porque la accin de las enzimas se vuelve ms lentaconforme desciende la temperatura. Las temperaturas bajo cero dentro del cuerpo suelen ser mortales, porque los cristalesde hielo pueden romper las clulas. Por fortuna, el agua tienepropiedades importantes que moderan los efectos de los cam-bios de temperatura. Tales propiedades ayudan a mantener loscuerpos de los organismos dentro de lmites de temperatura to-lerables. Adems, los lagos grandes y los ocanos ejercen unefecto moderador sobre el clima de las tierras colindantes, lashacen menos fras en invierno y ms frescas en verano.

Calentar agua requiere mucha energa

La energa necesaria para elevar en 1C la temperatura de ungramo de una sustancia es su calor especfico. A causa de sunaturaleza polar y sus puentes de hidrgeno, el agua tiene uncalor especfico muy alto y, por lo tanto, modera los cambiosde temperatura. La temperatura refleja la rapidez de las mo-lculas; cuanto ms alta sea la temperatura, mayor ser su ra-

pidez promedio. En trminos generales, si en un sistema in-gresa energa en forma de calor, las molculas de ese sistemase movern ms rpidamente y se incrementar la temperatu-ra del sistema. Recuerda que las molculas de agua individua-les estn dbilmente enlazadas entre s mediante puentes dehidrgeno (vase la figura 2-10). Cuando entra calor en unsistema acuoso como un lago o una clula viva, gran parte deesa energa calorfica se consume inicialmente rompiendopuentes de hidrgeno, y no acelerando molculas individua-les. Por ello, se necesita ms energa para calentar agua quepara calentar la misma cantidad de la mayora de las demssustancias. Una calora de energa, por ejemplo, eleva 1C latemperatura de 1 gramo de agua; mientras que slo se requie-ren 0.02 caloras para calentar a esa temperatura 1 gramo deroca comn, como mrmol. As, la energa necesaria para ca-lentar una libra de agua, es decir, 454 g (casi medio litro), tanslo 1C elevara 50C la temperatura de 454 g de roca. Poresa razn, si una lagartija desea calentarse, buscar una roca,no un charco, ya que luego de estar expuesta a la misma can-tidad de calor del sol, la roca estar mucho ms caliente. Pues-to que el cuerpo humano es agua en su mayora, una personaque se asolea puede absorber mucha energa trmica sin ele-var demasiado la temperatura de su cuerpo (FIGURA 2-16A).

El agua modera las temperaturas altas y bajas

El agua modera los efectos de las temperaturas altas porquese requiere mucha energa trmica (539 caloras por gramo)para convertir agua lquida en vapor de agua. Esto tambin sedebe a la naturaleza polar de las molculas de agua y a lospuentes de hidrgeno que se interconectan con ellas. Para queuna molcula de agua se evapore, debe absorber suficienteenerga para moverse con la rapidez suficiente para rompertodos los puentes de hidrgeno que la unen a las dems mo-lculas de agua de la solucin. Slo las molculas de agua msaceleradas, aquellas que llevan ms energa, pueden rompersus puentes de hidrgeno y escapar al aire como vapor deagua. El lquido restante se enfra por la prdida de esas mo-lculas de alta energa. En un caluroso da de verano, cuandolos nios juguetean en torno a un rociador (aspersor) de cs-ped y sus cuerpos se cubren de agua, hay transferencia deenerga trmica de su piel al agua, la cual absorbe ms ener-ga conforme se evapora (FIGURA 2-16B). Cuando transpiras,al evaporarse el sudor se produce una gran prdida de calorsin mucha prdida de agua. El calor necesario para evaporarel agua es su calor de vaporizacin (el calor de vaporizacindel agua es uno de los ms altos que se conocen).

Congelar agua requiere mucha energa

Por ltimo, el agua modera los efectos de las bajas temperatu-ras, ya que es preciso extraer una cantidad considerablemen-te grande de energa de las molculas de agua lquida, paraque stas formen la disposicin cristalina precisa del hielo(vase la siguiente seccin). Por ello, el agua se congela mslentamente que muchos otros lquidos a una temperatura dada y cede ms calor al ambiente al hacerlo. Esta propiedadde una sustancia es su calor de fusin, el cual es muy alto enel caso del agua.

El agua forma un slido singular: El hielo

El agua se convierte en slido despus de una exposicin pro-longada a temperaturas por debajo de su punto de congela-

HCO3 + H+ A H2CO3

(bicarbonato) (ion hidrgeno) (cido carbnico)

H2CO3 + OH A HCO3 + H2O

(cido carbnico) (ion hidrxido) (bicarbonato) (agua)

OTRO VISTAZO AL ESTUDIO DE CASO 33

cin. Sin embargo, hasta el agua slida se sale de lo comn.Casi todos los lquidos se vuelven ms densos al solidificarse;por lo tanto, como slidos, se hunden. El hielo es un tanto pe-culiar porque es menos denso que el agua lquida. La disposi-

cin regular de las molculas de agua en cristales de hielo (FI-GURA 2-17) las mantiene ms alejadas de lo que estn en lafase lquida, donde estn ms revueltas y ms cercanas entres; de esta manera, el hielo es menos denso que el agua.

Cuando un estanque o un lago empiezan a congelarse du-rante el invierno, el hielo flota y forma una capa aislante queretrasa el congelamiento del resto del agua, por lo que ofreceuna superficie resbaladiza adecuada para los patinadores. Di-cho aislamiento permite que los peces y otros residentes so-brevivan en el agua lquida que hay debajo. Si el hielo sehundiera, muchos de los estanques y lagos de todo el mundose congelaran totalmente, de abajo hacia arriba, durante elinvierno, lo cual matara a los peces, a las plantas y a otros or-ganismos subacuticos.

FIGURA 2-16 El alto calor especfico y el calor de vaporizacin del agua influyen en la conducta humana a) Como nuestros cuerpos estn compuestos en su mayora por agua, quienes toman el sol pueden absorbermucho calor sin aumentar drsticamente su temperatura corporal, como resultado del elevado calor especfi-

co del agua. b) El alto calor de vaporizacin del agua (enfriamiento por evaporacin) y el calor especfico, enconjunto, hacen que el agua sea un refrigerante muy efectivo para un da caluroso.

FIGURA 2-17 Agua (izquierda) y hielo (derecha)

O T R O V I S TA Z O A L E S T U D I O D E C A S O C A M I N A N D O S O B R E E L A G U ALa mayora de las especies que pueden ca-

minar sobre el agua son insectos depeso sumamente ligero; el lagartobasilisco de 113 gramos es quizsel animal ms pesado capaz deapoyarse sobre sus patas mientras

se mueve erguido en la superficie delagua. Cuando el lagarto saltarn golpea suspatas contra la superficie del agua, la resis-tencia provocada por la tensin superficialexpande los flequillos especiales en los de-dos de las patas del lagarto, permitiendouna rea superficial ms grande. Conformeel lagarto se propulsa hacia adelante, balan-cendose, sus patas con flequillo atrapan yempujan una burbuja de aire detrs de l.Atrapada entre la tensin superficial delagua y la pata del lagarto, la burbuja de aire

acta momentneamente como un disposi-tivo de flotacin, dando apoyo por una frac-cin de segundo, antes de que la otra patad el siguiente paso y repita el proceso.

Por otro lado, los patinadores sobre hieloaprovechan la flotabilidad del agua congela-da. Debajo de sus patines, una comunidadcompleta de moradores subacuticos semantienen aislados y protegidos. Pero, porqu el hielo es tan resbaladizo? Sorprenden-temente los cientficos no estn seguros. Sa-ben que las molculas de agua en loscristales de hielo estn enlazadas holgada-mente entre s. Algunos especulan que lasmolculas en la superficie congelada se des-plazan fcilmente entre s cuando algo sli-do se desliza sobre ellas, actuando comobola de rodamiento molecular. Otros supo-

nen que lo resbaladizo se debe a otra pro-piedad nica del hielo: cuando ste se com-prime, se derrite. Quiz bajo la presin delos patines (o de los zapatos o las llantas) seforma una delgada capa microscpica deagua, la cual lubrica la superficie del hielo.Piensa en esto Muchas de las propiedadesnicas del agua son resultado de sus enlacescovalentes polares, los cuales permiten quelas molculas de agua formen puentes de hi-drgeno entre s. Qu sucedera si las mo-lculas de agua tuvieran enlaces covalentesno polares? Cules seran las implicacio-nes? Utilizando la informacin de este cap-tulo, elabora una lista de las formas en quetales enlaces podran afectar las propieda-des del agua y de la vida en la Tierra en ge-neral.

a) b)

34 Captulo 2 TOMOS, MOLCULAS Y VIDA

R E P A S O D E L C A P T U L O

RESUMEN DE CONCEPTOS CLAVE

2.1 Qu son los tomos?Un elemento es una sustancia que no se puede descomponer niconvertir en otras sustancias mediante procesos qumicos ordina-rios. La partcula ms pequea posible de un elemento es el tomoque, a la vez, se compone de un ncleo central, que contiene proto-nes y neutrones, y de electrones fuera del ncleo.Todos los tomosde un elemento dado tienen el mismo nmero de protones, que esdiferente del nmero de protones que contienen los tomos de todos los dems elementos. Los electrones estn en rbita alrede-dor del ncleo dentro de capas de electrones, situadas a distanciasespecficas del ncleo y que corresponden a diferentes niveles deenerga, donde stos son mayores cuanto ms alejados estn delncleo. Los electrones en una capa de baja energa pueden absor-ber energa del calor, la luz o la electricidad, y saltar hacia otra ca-pa de mayor energa. Despus liberan tal energa en forma de luzy regresan a su capa original. Cada capa puede contener un nme-ro mximo fijo de electrones. La reactividad qumica de un tomodepende de cuntos electrones tiene en su capa de electrones msexterna: el tomo alcanza su mxima estabilidad y, por lo tanto, esmenos reactivo cuando su capa externa est completamente llena.

Web tutorial 2.1 Estructura atmica y enlace qumico

2.2 Cmo interactan los tomos para formar molculas?Los tomos pueden combinarse para formar molculas. Las fuer-zas que mantienen a los tomos unidos en molculas se conocencomo enlaces qumicos. Los tomos que han perdido o ganadoelectrones son partculas con carga positiva o negativa llamados

iones. Los enlaces inicos son atracciones elctricas entre ionescargados, que los mantienen unidos en cristales. Cuando dos to-mos comparten electrones, se forman enlaces covalentes. En unenlace covalente no polar, los dos tomos comparten los electro-nes de forma equitativa. En un enlace covalente polar, un tomopodra atraer al electrn con mayor fuerza que el otro; en tal caso,el tomo con mayor atraccin tiene una pequea carga negativa, yel tomo con atraccin ms dbil tiene una pequea carga positi-va. Algunos enlaces covalentes polares dan origen a puentes de hidrgeno, la atraccin entre regiones cargadas de molculas pola-res individuales o partes distantes de una molcula polar grande.

2.3 Por qu el agua es tan importante para la vida?El agua interacta con muchas otras molculas y disuelve distintassustancias polares y con carga. El agua obliga a las sustancias nopolares, como las grasas, a adoptar ciertos tipos de organizacin f-sica. El agua interviene en reacciones qumicas. Las molculas deagua mantienen una cohesin interna entre s gracias a los puentesde hidrgeno. Debido a sus altos calor especfico, calor de vapori-zacin y calor de fusin, el agua ayuda a mantener una temperatu-ra relativamente estable ante las amplias fluctuaciones de latemperatura ambiente.

Web tutorial 2.2 Introduccin a las propiedades del agua

Web tutorial 2.3 Calor especfico del agua

TRMINOS CLAVE

acdico pg. 31cido pg. 31amortiguador (buffer) pg. 32antioxidante pg. 28tomo pg. 22base pg. 31bsica pg. 31calora pg. 32capa de electrones pg. 22

cohesin pg. 30compuesto pg. 23disolvente pg. 28electrn pg. 22elemento pg. 22enlace covalente pg. 26enlace covalente no polar

pg. 26

enlace covalente polar pg. 27

enlace inico pg. 26enlace qumico pg. 25escala de pH pg. 31hidroflico pg. 29hidrofbico pg. 29interaccin hidrofbica pg. 30ion pg. 26istopo pg. 22molcula pg. 23

neutrn pg. 22ncleo atmico pg. 22nmero atmico pg. 22protn pg. 22puente de hidrgeno pg. 28radiactivo pg. 22radical libre pg. 27reaccin qumica pg. 25tensin superficial pg. 30

PARA MAYOR INFORMACIN 35

RAZONAMIENTO DE CONCEPTOS

1. Cules son los seis elementos ms abundantes en los organismosvivos?

2. Explica la diferencia entre tomos y molculas; entre elementos ycompuestos, y entre protones, neutrones y electrones.

3. Compara los enlaces covalentes y los enlaces inicos.

4. Por qu el agua puede absorber gran cantidad de calor sin que sutemperatura se incremente demasiado?

5. Describe cmo el agua disuelve una sal. Cmo se compara estefenmeno con el efecto del agua sobre una sustancia hidrofbicacomo el aceite de maz?

6. Define cido, base y amortiguador. Los amortiguadores cmoreducen los cambios de pH cuando se agregan iones hidrgeno oiones hidrxido a una solucin? Por qu este fenmeno es im-portante en los organismos?

APLICACIN DE CONCEPTOS

1. Las grasas y los aceites no se disuelven en agua; en cambio, lasmolculas polares e inicas s se disuelven fcilmente en agua.Los detergentes y jabones limpian porque dispersan las grasas ylos aceites en agua para que se eliminen al enjuagarse. Con baseen lo que sabes sobre la estructura del agua y la naturaleza hidro-fbica de las grasas, qu estructuras qumicas generales (porejemplo, partes polares o no polares) debe tener un jabn o undetergente? Por qu?

2. Qu efecto tendra sobre la vida acutica que la densidad delhielo fuera mayor que la del agua lquida? Qu impacto tendraello sobre los organismos terrestres?

3. Cmo ayuda el sudor a regular la temperatura de tu cuerpo?Por qu nos sentimos ms acalorados e incmodos en un da ca-luroso y hmedo que en un da caluroso y seco?

4. En general, los radicales libres se forman cuando los animalesutilizan oxgeno para metabolizar el azcar para elaborar molcu-las de alta energa. Un investigador de la Universidad del Estadode Pensilvania, Ross Hardison, manifest elocuentemente lo si-guiente: Tener el oxgeno bajo control mientras lo utilizamos enla produccin de energa ha sido uno de los mayores compromi-sos contrados en la evolucin de la vida en nuestro planeta.Qu quiso decir con esto? (Quiz quieras regresar a esta pregun-ta despus de estudiar el captulo 8).

PARA MAYOR INFORMACIN

Eiseley, L. The Inmense Journey. Nueva York: Vintage Books, 1957. Una

interesante serie de ensayos realizados por un reconocido naturalista y

escritor.

Glasheen, J. W. y McMahon, T. A. Running on Water. Scientific Ameri-

can, septiembre de 1997. Contesta la pregunta: Cmo corre el lagarto

basilisco sobre el agua?

Matthews, R. Water: The Quantum Elixir. New Scientist, 8 de abril de

2006. Para saber cules son las propiedades nicas del agua que la ha-

cen tan indispensable para la vida en nuestro planeta.

Raloff, J. Chocolate Hearts. Science News, 18 de marzo de 2000. Descri-

be investigaciones recientes que indican que el chocolate tiene un alto

contenido de antioxidantes.

Storey, K. B. y Storey, J. M. Frozen and Alive. Scientific American, di-

ciembre de 1990. Al iniciar la formacin de hielo aqu, suprimirla all y

abastecer sus clulas con molculas anticongelantes, algunos animales

(entre ellos ciertos lagartos y ranas) pueden sobrevivir con 60% de su

agua corporal congelada.

Woodley, R. The Physics of Ice. Discover, junio de 1999. El hielo es un

slido tan complejo que los investigadores an no estn seguros de

exactamente por qu acta de la manera en que lo hace.