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Conceptos Básicos de Química Profesora Adjunta Dra Ana Masoni Cátedra de Química Biológica Facultad de Ciencias Médicas UNR
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Conceptos Básicos de
Química
Profesora Adjunta
Dra Ana Masoni
Cátedra de Química Biológica
Facultad de Ciencias Médicas
UNR
¿Qué estudia la Química Biológica?
La Química Biológica estudia la química detodos los organismos vivos.
El objetivo de nuestra Cátedra es que Ud.aprenda las estructuras químicas y lasfunciones de las mismas en el cuerpo humano.
Para ello le propongo un breve recorrido porconceptos básicos de química que Ud. debeconocer para poder comprender otros máscomplejos.
¿ Qué caracteriza a todo ser vivo?
El atributo principal que caracteriza a todoser vivo es la continua renovación de suestructura.
La energía para lograrlo se obtiene delentorno, mediante la alimentación y larespiración.
Para poder comprender la base profunda decualquier proceso vital, es necesarioadentrarse en sus aspectos químicos.
¿ Cómo ayuda el conocimiento de la Química
Biológica a la formación médica?
Ayuda a comprender la estructura, organización yfuncionamiento del organismo en estado de salud.
Ayuda a entender las distintas enfermedades que loafectan, las alteraciones que éstas producen en lostejidos y la forma de prevenirlas.
Ayuda a comprender la acción de diferentes fármacosque se utilizan para tratar las patologías.
Ayuda a comprender las relaciones existentes entre laspersonas y con su medio ambiente en referencia a lanutrición, agentes tóxicos, conductas y adicciones.
Elementos de importancia biológica
Sólo 4 elementos componen la mayor parte de todos los compuestos químicos del organismo animal:
C (carbono), H (hidrógeno), O (oxígeno) y N (nitrógeno).
Muchas biomoléculas contienen además S (azufre) y P (fósforo).
Nuestro organismo posee iones (partículas cargadas) que también reciben el nombre de electrolitos. Los más representativos son: catión sodio (Na+), catión potasio (K+), catión calcio (Ca2+), catión magnesio (Mg2+), anión cloruro (Cl-).
Elementos de importancia biológica
Otros elementos de importancia vital se
encuentran en pequeñas cantidades y
reciben el nombre de oligoelementos.
Ellos son: hierro (Fe), zinc (Zn) , cobre
(Cu), cobalto (Co), manganeso (Mn), yodo
(Y) y selenio (Se).
IsomeríaLas moléculas que tienen la misma
fórmula química pero cuyos átomos
están unidos de manera distinta o tienen
una conformación espacial diferente, se
llaman isómeros.
Isomería Espacial
Este tipo de Isomería se produce cuando las
moléculas poseen la misma fórmula química pero se
diferencian en la distribución de sus componentes
en el espacio.
Estas moléculas tienen un carbono asimétrico que
se representa como C* .
C* es aquel que está unido a 4 átomos o moléculas
diferentes.
Carbono Asimétrico
• Observe la estructura químicageneral de un aminoácidoesquematizada a la derecha deesta diapositiva.
• Las valencias del átomo deCarbono que se encuentra en elcentro del tetrahedro (pirámide)están unidas a 4 compuestosquímicos diferentes. Es uncarbono asimétrico (C*)
• Esta característica le confiere a lamolécula de este aminoácidoactividad óptica, es decircapacidad para girar el plano dela luz polarizada.
C*
NH3
COOH
H
R
Isómeros ópticos
(Isomería en espejo , no superponibles)
Estos isómeros tienen la propiedad de desviar la luz polarizada hacia la
derecha (dextrógiros, se los representa con signo +) o hacia la izquierda
(levógiros, se los representa con signo -)
Isómeros de la familia D y de la familia L
Las moléculas que poseen un
carbono asimétrico (C*) pueden
pertenecer a dos familias
diferentes.
Esta familias se las menciona
como familia D y familia L.
El gliceraldehído es el compuesto
que se toma como referencia para
este tipo de isomería.
Si el grupo oxhidrilo (-OH) se
encuentra hacia la derecha se
trata de la familia D y si se
encuentra hacia la izquierda se
trata de la familia L
Aclaración: Los compuestos químicos que presentan C*
pueden pertenecer a la familia L ó D y ser levógiros (-) ó
dextrógiros (+)
Isómeros Cis y Trans
Este tipo de isomería, también llamada isomería
geométrica, se presenta en compuestos químicos que
poseen dobles ligaduras.
En este esquema se observa la
doble ligadura entre los átomos
de carbono (C).
Cuando los átomos de
hidrógeno (H) se encuentran en
el mismo plano la isomería es
Cis.
Cuando los átomos de
hidrógeno (H) se encuentran en
diferentes planos la isomería es
trans.
¿ Qué son las Funciones Químicas?
También conocidas como
GRUPOS FUNCIONALES ORGÁNICOS
son átomos o grupos de átomos que
otorgan a todos los compuestos que las
poseen en sus estructuras químicas,
propiedades específicas y comunes.
GRUPOS FUNCIONALES
Función Alcohol
Los alcoholes a su vez pueden clasificarse en primarios,secundarios o terciarios según estén unidos a uncarbono primario (C unido a un solo C), un carbonosecundario (C unido a dos C) ó un carbono terciario(C unido a tres C).
Terciario
GRUPOS FUNCIONALESFunción amina
Amina Primaria Amina Secundaria Amina Terciaria
Las funciones aminas también pueden ser
primarias, secundarias ó terciarias. En el
esquema de abajo se encuentran representadas.
Funciones Químicas
Cuando dos funciones químicas se unen pueden producirse
nuevas funciones.
La unión entre dos funciones alcohólicas, con pérdida de una
molécula de agua, da origen a la función éter.
La unión entre dos funciones ácidas, con pérdida de una
molécula de agua, da origen a la función anhidrido de ácido.
La unión de una molécula de alcohol y una de ácido, con
pérdida de una molécula de agua da origen a la función éster.
Cuando en la función alcohólica se encuentra un azufre (S) en
lugar de un oxígeno (O), la función se llama tioéster.
Funciones Químicas
CH2 OH + HO H2 C CH2 O H2C
H2O
Alcohol1 + Alcohol2 ÉTER + H2O
R + R’ R – O – R’
Función éter
Funciones Químicas
CH2OH + HO C CH2 O C
O O
H2O
Alcohol + Ácido ÉSTER + H2O
R + R’ R - O – C -R’
O
Función éster
Funciones QuímicasFunción tioéster
Los Tioésteres son compuestos que tienen como fórmula general
R1-S-CO-R2.
Compare esta fórmula general con la anterior (R1-O-CO-R2) y observe
que un oxígeno (O) ha sido reemplazado por un azufre (S).
Estos compuestos son el producto de la esterificación entre un ácido
carboxílico y un tiol (-SH).
Funciones Químicas
Función tioéster
En el esquema de abajo se observan dos ejemplos que Ud utilizará con
frecuencia en Química Biológica. El signo ~ significa un enlace de alto
contenido energético (lo veremos más adelante).
Funciones Químicas
Función anhidrido de ácido
Esta función se produce mediante la unión de dos ácidos carboxílicos
(- COOH) con pérdida de una molécula de agua.
En el esquema de abajo se observa su fórmula general:
Ejemplos biológicos. Molécula de ATP
Observe la molécula de ATP en este esquema
Está formada por una molécula de ribosa que está unida a una molécula de
Adenina y a tres moléculas de ácido fosfórico.
Observe el enlace fosfoéster que se establece entre la función alcohólica de
la ribosa y un ácido fosfórico
Observe los dos enlaces fosfoanhidro que se forman entre las dos
moléculas de ácido fosfórico
Ribosa
Adenina
Ac. Fosfóricos
H2O
Esta función se obtiene por la unión de un grupo carboxilo
(-COOH) con un grupo amino (-NH2) con pérdida de una molécula
de agua.
Funciones QuímicasFunción amida
Ejemplos biológicos. Enlace peptídico
La función amida se encuentra en los péptidos y proteínas, en los cuales se
unen el grupo ácido de un aminoácido y el grupo amino de otro aminoácido.
Este enlace recibe el nombre de enlace petídico.
Propiedades de las moléculasPolaridad
Para explicar esta propiedad tan importante vamos a comenzar con
una molécula sencilla como el agua (H2O). El oxígeno atrae dos
electrones (por su elevada electronegatividad), uno de cada uno de
los hidrógenos constituyentes de esta molécula. Por lo tanto en la
zona del oxígeno habrá predominio de cargas negativas, mientras
que en la zona de los hidrógenos
habrá predominio de las cargas
positivas de sus respectivos
núcleos.
Se establece entonces un polo
negativo y uno positivo y la
molécula es POLAR, como se
observa el esquema de la derecha.
Las moléculas polares atraen a
otras moléculas polares.
Propiedades de las moléculasPolaridad
El agua es el medio líquido en el que se van a desarrollar la mayor
parte de las reacciones químicas de la célula.
Las moléculas de H2O se atraen entre sí mediante enlaces o
puentes de hidrógeno, que se
establece entre el Oxígeno de una
molécula de agua y el Hidrógeno
de otra.
Este tipo de enlace es débil y le
confiere a esta molécula su natu-
raleza líquida y la propiedad de
ser el principal disolvente biológico.
Propiedades de las moléculasPolaridad
En este esquema se observa cómo el agua disuelve al
cloruro de sodio (ClNa) o sal de cocina .
Concepto de electronegatividad
La electronegatividad de un elemento
mide su tendencia a atraer hacia sí
electrones, cuando está químicamente
combinado con otro átomo.
Cuanto mayor sea, mayor será su
capacidad para atraerlos.
Electronegatividad
Observe esta Tabla periódica. La electronegatividad crece desde abajo hacia
arriba y desde izquierda a derecha. Es decir que el fluor (F) es el elemento más
electronegativo y por lo tanto es el átomo que tiene mayor capacidad de atraer
electrones hacia sí .
Electronegatividad
En la Tabla anterior los números que se encuentrandebajo del los símbolos de los elementos indican laelectronegatividad de los mismos.
Observe que el hidrógeno (H:2,1) y el carbono (C: 2,5)tienen electronegatividad semejante.
Observe que el Nitrógeno (N:3,0) y el Oxígeno (O:3,5)tienen electronegatividad semejante.
Observe que la electronegatividad del N y O es mayor a ladel H y C.
El N y el O tienen mayor capacidad de atraer electroneshacia sí que el H y el C.
Enlace Químico
Un enlace químico corresponde a la fuerza que une o
enlaza a dos átomos, sean estos iguales o distintos.
Los enlaces se pueden clasificar en tres grupos
principales: enlaces iónicos, enlaces covalentes y
enlaces dativos.
Los enlaces se producen como resultado de los
movimientos de los electrones de los átomos, sin importar
el tipo de enlace que se forme. Pero no cualquier electrón,
puede formar un enlace, sino solamente los electrones del
último nivel energético (más externo). A estos se les llama
electrones de valencia.
Enlace iónico
Un enlace iónico se puede definir como la fuerza que une a dos
átomos a través de una cesión electrónica. Una cesión electrónica se
da cuando un elemento electropositivo se une con un elemento
electronegativo. Mientras mayor sea la diferencia de electronegatividad
entre los elementos, más fuerte será el enlace iónico.
Na +
Cl -
Enlace Covalente El enlace covalente es la fuerza que une dos átomos mediante la
compartición de electrones.
Dentro de este tipo de enlace podemos encontrar enlaces simples,
dobles o triples; covalente polar (cuando se trata de átomos con
diferente electronegatividad) y el enlace covalente apolar (cuando los
átomos tienen igual o muy semejante electronegatividad)
Enlace covalente polar
Enlace covalente apolar
Enlace Covalente Dativo
Si bien se clasifica también como enlacecovalente, algunos químicos difieren dellamarlo así debido a que en un enlacecovalente, los dos átomos que forman dichoenlace aportan un electrón cada uno.
El enlace dativo, también llamadocoordinado, se caracteriza porque el parelectrónico del enlace es entregado por unsólo átomo, el cual debe poseer al menos unpar de electrones libres sin enlazar .
Enlace Covalente Dativo
En este esquema se observa cómo el NH3 se une a un protón , átomo de
hidrógeno que ha perdido su único electrón y por lo tanto queda
cargado positivamente (H+).
Así se forma el ion amonio (NH4+)
La flecha colocada en el NH4+ indica este tipo de enlace dativo.
Fuerzas moleculares
Las fuerzas moleculares se definen como el conjunto de fuerzas atractivas y repulsivas que se producen entre las moléculas como consecuencia de la presencia o ausencia de electrones.
Entre ellas se encuentran las fuerzas de Van de Waals.
Fuerzas moleculares
Las fuerzas moleculares son fuerzas de
estabilización molecular; forman un enlace
químico no covalente en el que participan
dos tipos de interacciones: fuerzas de
atracción y fuerzas de repulsión entre las
capas electrónicas de dos moléculas
contiguas.
Fuerzas de Van der Waals
Fuerzas moleculares
Hay una gran probabilidad de que la
densidad electrónica no esté distribuida
por igual en una molécula apolar.
Cuando los electrones están
desigualmente distribuidos, se pueden
producir multipolos temporales.
Formación de dipolos
instantáneos
Reacciones Químicas Cuando los compuestos químicos A + B (reactivos)
reaccionan entre sí para dar origen a los productos
(C + D), la energía del sistema aumenta hasta llegar a
un máximo.
Esta energía se conoce con el nombre de Energía de
Activación
REACCIONES QUÍMICAS
VARIACIÓN DE ENERGÍA
La variación de energía que se produce en una reacciónquímica se representa como ∆G
El ∆G es la diferencia entre la energía final del proceso (Gf) y laenergía inicial (Gi) del mismo
∆G = Gf - Gi ; ∆G es negativo (< 0) cuando la energía de losproductos es menor que la de los reactivos que le dieronorigen. Estas reacciones son espontáneas o exergónicas (selibera energía).
∆G = Gf - Gi ; ∆G es positivo ( > 0) cuando la energía de losproductos es mayor que la de los reactivos que le dieronorigen. Estas reacciones no son espontáneas (necesitansuministro de energía), son reacciones endergónicas.
Reacciones Químicas
Exergónicas o Endergónicas
REACCIONES QUÍMICAS
La mayoría de las reacciones químicas denuestro organismo ocurren acopladas.
Una reacción endergónica (que requiereenergía) se acopla a una exergónica (quele suministra la energía que necesita).
Las reacciones exergónicas deben liberarmás energía que la que necesita laendergónica acoplada.
Equilibrio químico
Todos los procesos químicos evolucionan desde los reactivos
hasta la formación de productos, a una determinada velocidad,
hasta que la reacción se completa.
Llegado ese instante, lo que ocurre en el proceso es que la
velocidad de formación de los productos es igual a la velocidad
de descomposición de éstos para formar nuevamente los
reactivos de los que proceden.
Es decir se llega a un estado dinámico en el que las
concentraciones de todas las especies reaccionantes (reactivos y
productos) permanecen constantes.
Ese estado se conoce con el nombre de equilibrio químico.
Equilibrio químicoDada la siguiente reacción química
A + B C
se alcanza el equilibrio cuando la velocidad de
reacción directa A + B C es igual a la
velocidad de la reacción inversa C A + B
Equilibrio químico
Cuando una reacción se halla en equilibrio químico sepuede calcular la constante de equilibrio (Keq )
concentración Productos [ Productos ]
concentración Reactivos
Una Keq elevada indicaría que esa reacción estáfavorecida hacia la producción de productos.
Una Keq muy baja indicaría que esa reacción estáfavorecida hacia la producción de reactivos.
K eq = =[ Reactivos ]
CONCEPTO DE pH
Se define a un ácido como toda sustanciaque puede ceder protones (H+) al medio.
Se define como básica o alcalina a todasustancia capaz de captar protones (H+)del medio.
El pH es un valor que mide la fuerza deacidez o alcalinidad que posee unasolución.
pH
La escala de pH se ha determinado con lasiguiente reacción de agua pura:
H2O H + + OH-
Varía entre 0 y 14
Un pH=7 es un pH neutro, en el cual laconcentración de protones es igual a laconcentración de oxhidrilos ( H+ = OH-)
Valores de pH en el tracto digestivo
El estudio de esta disciplina le
permitirá comprender, además,
las modificaciones químicas
que se producen durante los
procesos de crecimiento y
desarrollo, reproducción,
envejecimiento y muerte desde
el nivel celular al orgánico.
Muchas Gracias
