Biología Celular y Molecular - Introducción al Mundo de la Célula

Biología Celular y Molecular

Composición Celular

Las células están compuestas por átomos que se relacionan entre sí generando macromoléculas y estructuras biológicas que les confieren funcionalidad.

Núcleo

• Partículas sub-atómicas:

  • Carga positiva ($+\rightarrow$) protones (número atómico)

  • Carga neutra ($0\rightarrow$) neutrones

Nube

• Partículas sub-atómicas:

  • Carga negativa ($-\rightarrow$) electrones distribuidos en orbitales

La carga neta del átomo es 0.

Interacción Atómica

Los electrones del último orbital determinan cómo los átomos interaccionan unos con otros. En tejidos vivos, SOLO los electrones se reordenan, con movimiento continuo en órbitas (2-8-8-18-18).

Ejemplo: Unión entre Sodio (Metal) y Cloro (No Metal)

Regla del Octeto

La tendencia de los elementos del sistema periódico es completar su último nivel de energía con 8 electrones para adquirir una configuración estable, semejante a la de un gas noble. La excepción es el He, donde los elementos cercanos alcanzan 2 electrones. Los orbitales incompletos son menos estables, generando la tendencia a interaccionar con otros átomos, ganando o perdiendo electrones para completar su órbita más externa, a través de un enlace químico.

Enlace Covalente

Ocurre cuando la diferencia de electronegatividad entre dos átomos no es suficientemente grande para que se efectúe transferencia de electrones. Los átomos comparten uno o más pares de electrones en un nuevo tipo de orbital denominado orbital molecular.

Subtipos de Enlaces Covalentes

• No polar: Los electrones que se enlazan son igualmente compartidos por los dos átomos. Siempre que dos átomos del mismo elemento se enlazan (ej: metano).

• Polar: Los electrones que se enlazan están desigualmente compartidos entre dos átomos; esto ocurre cuando un átomo tiene una mayor afinidad hacia los electrones que el otro (ej: $H_2O$).

  • Estructura con:

    • Densidad de carga positiva concentrada en un extremo (polo positivo).

    • Densidad de carga negativa concentrada en otro extremo (polo negativo).

  • Formación de dipolos.

    • Interacción intermolecular dada por fuerzas eléctricas.

    • Atracción de moléculas con polaridad opuesta (complementaria).

    • $\delta$ de carga positiva $\delta$ de carga negativa

Puentes de Hidrógeno

Formación de un puente de hidrógeno entre dos moléculas polares (ej: etanol y agua).

Un puente de hidrógeno resulta de la atracción entre la carga parcial positiva en el átomo de hidrógeno del agua y la carga parcial negativa en el átomo de nitrógeno del amoníaco.

Compuestos Covalentes Moleculares

Propiedades:

• Puntos de fusión y ebullición bajos debido a la debilidad de las fuerzas entre las moléculas (mayores cuando aumenta la polaridad).

• No conducen la electricidad ya que no hay cargas ni electrones libres.

• Se disuelven en sustancias con su misma polaridad:

  • Sustancia no polar en solventes no polares.

  • Sustancia polar en solventes polares.

Moléculas

Agregado de, por lo menos, dos átomos en una ubicación definitiva, unidos a través de enlaces químicos. Una molécula puede contener átomos del mismo elemento o de dos o más elementos, siempre en una proporción fija.

El agua es la sustancia más abundante en el interior de la célula.

Agua ($H_2O$)

• Unión entre O-H por enlace covalente.

• Formación de molécula altamente polar (distribución desigual de electrones).

• Atracción de otras moléculas de agua ($H_2O$) generando puentes de hidrógeno.

  • Enlaces más débiles que los covalentes y se deshacen fácilmente por calor.

  • Gran cantidad de uniones de corta duración.

  • Formación de redes moleculares.

• Los puentes de hidrógeno son responsables de las propiedades del agua: estado líquido, alta tensión superficial y alto punto de ebullición a temperatura ambiente.

• Moléculas polares (ej: alcoholes) forman puentes de hidrógeno con el agua.

• Moléculas orgánicas que se disuelven en $H_2O$: azúcares, ADN, ARN, proteínas.

Importancia Fisiológica del Agua

• La mayoría de las reacciones químicas ocurren en medio acuoso.

• El agua participa en muchas reacciones químicas que participan en la vida.

• Los productos y reactivos de las reacciones metabólicas, nutrientes y productos de desecho, dependen del agua para su transporte en el interior y exterior celular.

• Casi todas las biomoléculas asumen sus formas, y por tanto sus funciones, en respuesta a las propiedades físicas y químicas del agua.

• La oxidación del agua ($H<em>2O$) para producir oxígeno molecular ($O</em>2$) es una reacción fundamental de la fotosíntesis.

Propiedades del Agua

Características peculiares derivadas de las propiedades moleculares del agua:

• Carácter dipolar

• Alto calor específico

• Alto calor de evaporación

• Elevada tensión superficial

• Elevada constante dieléctrica (facilita la ionización de las sales disueltas).

• Densidad (regula la circulación vertical y la estabilidad de lagos y mares).

• Fuerte absorción de la radiación de onda larga y elevada transparencia a la luz (influye en la estratificación térmica y en la distribución de los vegetales).

Carácter Dipolar

Las moléculas de agua se orientan de manera específica en torno a partículas polares o iónicas, formando una envoltura de solvatación que modifica las propiedades de estas partículas.

Calor Específico

Cantidad de calor (c) necesaria para aumentar 1ºC la temperatura de una unidad específica de peso (1 gr) de una sustancia.

• Caloría: cantidad de calor que elevará en 1ºC la temperatura de 1 gr. de agua pura.

• El agua posee alta resistencia a los cambios de temperatura.

Dada una tasa dada de ingreso de calor, la temperatura del agua aumentará más lentamente que la temperatura de casi cualquier otro material. De igual manera, la temperatura caerá más lentamente cuando se elimina calor.

Para que la energía cinética de las moléculas de agua aumente suficientemente como para elevar la temperatura de ésta en un grado centígrado, primero es necesario romper cierto número de sus puentes de hidrógeno que restringen el movimiento de las moléculas.

El calor específico del agua es aproximadamente 2 veces el del aceite o del alcohol, 4 veces el del aluminio y 10 veces el del acero. Sólo el amoníaco líquido tiene un calor específico más alto que el agua.

Calor de Vaporización

Cantidad de calor que necesita absorber un líquido para cambiar de estado líquido a gas. El agua tiene un alto calor de vaporización.

En su punto de ebullición $(100 ºC – 1 atm)$, se necesitan 540 calorías para convertir 1 gr. de agua líquida en vapor.

Para que una molécula de agua se evapore, deben romperse los puentes de Hidrogeno ($\rightarrow$ esto requiere energía térmica!!!!!). Necesita calor, que adquiere de su entorno inmediato, enfriándolo ($\rightarrow$ la evaporación tiene un efecto refrigerante).

Uno de los principales medios por los cuales los organismos “descargan” el exceso de calor y estabilizan sus temperaturas.

Tensión Superficial

Fuerza que resulta de la cohesión (atracción mutua de moléculas de la misma sustancia) de las moléculas de agua ($\rightarrow$ la magnitud de esta fuerza, controla la forma del líquido).

Las moléculas de la superficie no cohesionan con otras moléculas de agua en todas las direcciones, por lo tanto se cohesionan más fuertemente que aquellas que se encuentran en el interior de recipiente.

Formación de un “film” en la superficie que dificulta el movimiento de un objeto a través de la superficie respecto del interior del líquido. Muy importante para la vida de los seres de pequeño tamaño.

Constante Dieléctrica

Medida de las propiedades de un solvente para mantener cargas opuestas separadas.

La elevada constante dieléctrica ($\epsilon$) del agua permite la disociación de la mayoría de las sales inorgánicas en su seno y permite que las disoluciones puedan conducir la electricidad.

El agua tiene una de las constantes dieléctricas ($\epsilon$) más elevadas, siendo uno de los solventes más polares que existen. Como consecuencia, moléculas (ej: ADN) o partículas cargadas eléctricamente (NaCl) se disocian fácilmente en presencia de agua.

En el caso de NaCl, la generación de iones sucede porque las fuerzas entre las cargas opuestas son débiles ($\rightarrow$ se rompen fácilmente).

Los iones de una sal interactúan de acuerdo a la ley de Coulomb:

$F = k \cdot \frac{q<em>1 \cdot q</em>2}{\epsilon \cdot r^2}$

Donde:

• F: fuerza de unión entre las dos cargas de los iones.

• $\epsilon$: constante dieléctrica del medio.

• q+ y q-: carga catiónica y aniónica respectivamente; separadas por una distancia r.

• k: constante de proporcionalidad $(8.99 x 10^9 J \cdot m \cdot C^{-2})$.

Densidad

Variación anómala:

Si T° cae por debajo de los 4°C, las moléculas deben separarse ligeramente ($\rightarrow$ mantener el máximo número de puentes de hidrógeno en una estructura estable $\rightarrow$ a 0°C (punto de congelación). Retículo abierto, que es la estructura más estable de un cristal de hielo $\rightarrow$ disminuye la densidad).

El agua en estado sólido ocupa más volumen que el agua en estado líquido ($\rightarrow$ el hielo es menos denso que el agua líquida $\rightarrow$ flota en ella).

Esta propiedad permite que el agua de un lago no se congele por completo.

Si no hubiera anomalía, el agua más caliente quedaría en la superficie, donde se iría enfriando, cayendo al fondo y siendo sustituida por agua caliente, que se enfriaría a su vez, etc., hasta que todo quedara congelado. Al existir la anomalía esto no se ocurre pues el agua más caliente se queda abajo y el calor solo se pierde por conducción y no por convección, lo que es mucho más lento.

El agua del fondo queda protegido térmicamente del exterior, y puede alcanzar los 4º o 5ºC, que son suficientes para la supervivencia de ciertas especies.

La densidad del agua disminuye de manera monótona a partir de los 4ºC. Entre 0ºC y 4ºC su densidad aumenta ($\rightarrow$ el máximo de densidad se alcanza a 4ºC). Esto es lo que se conoce como anomalía térmica del agua. Por lo tanto, en general el agua caliente es más ligera que el agua fría y por tanto, tenderá a ir hacia la superficie, pero a temperaturas próximas a 0°C la tendencia se invierte y el agua más caliente es más pesada que la fría.

Acción Capilar

Combinación de la cohesión y la adhesión que hacen que el agua ascienda entre dos láminas, por tubos muy finos, en un papel absorbente, o que atraviese lentamente los pequeños espacios entre las partículas del suelo. La fuerza de adhesión del agua es más fuerte que la de cohesión por lo tanto el $H_2O$ asciende.

La atracción de moléculas de agua a los lados de un recipiente estrecho (adhesión) es más fuerte que la cohesión que une moléculas de agua. El resultado es una acción capilar, en la que la fuerza de adhesión tira del líquido hacia arriba.

El agua y el mercurio se comportan de manera diferente en un tubo de ensayo hecho de vidrio polar. El agua se adhiere al vidrio, llevando los lados hacia arriba y formando una superficie cóncava. El mercurio no polar no se siente atraído por el vidrio. La cohesión entre los átomos de mercurio crea tensión superficial que forma una superficie convexa.

Alta Conductividad Térmica

Disipa el calor desprendido en las reacciones metabólicas. Esta propiedad determina que el calor aplicado a un punto de una masa de agua no se acumule en dicho punto, sino que ese calor se transmite al resto de la masa de agua. Esto evita la acumulación de calor en un determinado punto del organismo. El calor se distribuye gracias a la estructura reticular del agua y ello permite que toda la masa se caliente al mismo tiempo, necesitándose, además, una gran cantidad de energía para calentar una masa de agua. Celulares.