Biología (08) · Unidad 2 — Las moléculas de la vida
Agua, iones y uniones químicas
Una célula es sobre todo agua, y el agua es una molécula polar: un extremo un poco negativo y otro un poco positivo. De eso salen los puentes de hidrógeno, que el agua disuelva la sal y el azúcar pero no el aceite, y que cueste tanto calentarla o evaporarla.
La explicación
El problema: de qué está hecho algo vivo
Si secáramos una planta, un músculo o una bacteria y analizáramos lo que queda, encontraríamos casi siempre los mismos cuatro elementos: carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N). Juntos son cerca del 96 % de la masa de un ser vivo. Les siguen el fósforo (P) y el azufre (S), y en menor cantidad el sodio, el potasio, el calcio, el magnesio y el cloro.
Hay otros que se necesitan en cantidades mínimas pero sin ellos el organismo no funciona: el hierro de la hemoglobina, el yodo de las hormonas de la tiroides, el zinc o el cobre de algunas enzimas. Se llaman oligoelementos.
Las moléculas que forman a los seres vivos y tienen un esqueleto de átomos de carbono unidos entre sí y con hidrógeno son los compuestos orgánicos: azúcares, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos (temas 2.2 a 2.7). El agua, las sales y el CO₂ son inorgánicos.
1. ¿La molécula tiene una cadena de carbonos con hidrógenos? Es orgánica.
2. ¿Es agua, una sal, un ion suelto o un gas como el CO₂? Es inorgánica, aunque esté dentro de una célula.
Las uniones: qué mantiene juntos a los átomos y a las moléculas
Hay uniones fuertes, que arman las moléculas, y uniones débiles, que las acomodan unas respecto de otras.
Iónica: un átomo le cede electrones a otro y quedan dos iones de carga opuesta que se atraen, como el Na⁺ y el Cl⁻ de la sal de mesa. En un cristal seco es firme; en el agua se deshace.
Puente de hidrógeno: un H que ya está unido a un O o a un N queda con carga parcial positiva y es atraído por el O o el N de otra molécula (o de otra parte de la misma). Es débil de a uno, pero miles juntos sostienen la doble hélice del ADN y la forma de las proteínas.
Interacción hidrofóbica: las moléculas apolares, rodeadas de agua, terminan agrupadas. No es que se atraigan: el agua las deja afuera.
Fuerzas de van der Waals: atracciones muy débiles entre átomos que quedan muy cerca. Cuentan cuando hay muchas, como entre las colas de los lípidos.
1. ¿Es dentro de una molécula, entre dos átomos que comparten electrones? Covalente.
2. ¿Son dos iones de carga opuesta? Iónica.
3. ¿Es un H unido a O o N atraído por un O o N de otra molécula? Puente de hidrógeno.
4. ¿Son partes apolares que se juntan en el agua? Interacción hidrofóbica.
El agua es una molécula con dos caras
Una molécula de agua (H₂O) tiene un oxígeno unido por covalencia a dos hidrógenos, y no es recta: tiene forma de V. El oxígeno atrae los electrones con más fuerza, así que su lado queda con una carga parcial negativa (δ⁻) y los hidrógenos, con cargas parciales positivas (δ⁺). Eso es una molécula polar.
Como el lado δ⁺ de una atrae el lado δ⁻ de la vecina, las moléculas de agua se enganchan entre sí por puentes de hidrógeno: cada una puede formar hasta cuatro (dos con sus hidrógenos y dos con su oxígeno). Los puentes se rompen y se rearman todo el tiempo, y por eso el agua es líquida a la temperatura del cuerpo aunque sea una molécula chica.
Una célula tiene alrededor de un 70 % de agua. Casi todas las reacciones de la vida pasan disueltas en ella.
Disolver o no disolver
El agua rodea a todo lo que tiene carga o es polar. Si se echa sal, cada Na⁺ queda envuelto por moléculas de agua que le apuntan el oxígeno (δ⁻), y cada Cl⁻, por moléculas que le apuntan los hidrógenos (δ⁺): el cristal se desarma. El azúcar se disuelve porque está llena de grupos –OH que forman puentes de hidrógeno con el agua. Lo que se disuelve en agua es hidrofílico.
El aceite es apolar: no tiene con qué engancharse al agua. Las moléculas de agua prefieren unirse entre sí y lo dejan afuera, y el aceite queda en gotas que se juntan arriba. Eso es hidrofóbico. Hay moléculas que tienen una parte de cada clase, como el jabón o los fosfolípidos de la membrana: se llaman anfipáticas (tema 2.3).
1. ¿Tiene carga (un ion) o muchos grupos –OH, –NH₂ o –COOH? Hidrofílica.
2. ¿Es casi todo C e H, como una cadena de aceite? Hidrofóbica.
3. ¿Tiene una punta de cada clase? Anfipática.
Las propiedades que importan para la vida
Casi todas salen de lo mismo: para separar moléculas de agua hay que romper puentes de hidrógeno, y eso cuesta energía.
Alto calor de vaporización: para que una molécula pase a vapor hay que romperle todos sus puentes con las vecinas. Por eso evaporar agua se lleva mucho calor, y el sudor que se evapora enfría la piel.
Cohesión y tensión superficial: las moléculas de la superficie se tiran entre sí y forman una especie de piel. Un insecto camina sobre un charco; el agua sube por los tubitos de una planta.
El hielo flota: al congelarse, cada molécula queda fija con sus cuatro puentes en una red abierta, más espaciada que el líquido. El hielo es menos denso, flota y aísla el agua de abajo: un lago se congela por arriba y los peces siguen vivos debajo.
Buen solvente: disuelve iones y moléculas polares, y es el medio donde pasan las reacciones.
1. Identificá qué cambia: la temperatura (calor específico), el estado a vapor (calor de vaporización), la superficie (cohesión), el estado a sólido (densidad del hielo) o lo que se disuelve (solvente).
2. Explicalo con los puentes de hidrógeno: casi siempre es lo que hay que romper o lo que se forma.
Ácidos, bases y pH
Un ácido es una sustancia que libera iones hidrógeno (H⁺) en el agua: el jugo de limón, el ácido del estómago. Una base los capta (o libera OH⁻, que se los lleva): el bicarbonato, la lavandina. El pH mide cuántos H⁺ hay:
El agua pura tiene pH 7: es neutra. Por debajo de 7, ácido; por encima, básico. La escala es logarítmica: cada unidad de pH es un factor 10 en los H⁺. Un líquido de pH 4 no tiene «un poco más» de H⁺ que uno de pH 5: tiene diez veces más. Y uno de pH 4 tiene mil veces más que el agua pura.
La sangre está siempre cerca de pH 7,4. Lo sostienen los amortiguadores (o buffers), pares de sustancias que captan H⁺ cuando sobran y los liberan cuando faltan; en la sangre, el principal es el del bicarbonato.
1. Si te dan [H⁺] = 10⁻ⁿ, el pH es n. Por ejemplo, 0,001 = 10⁻³ da pH 3.
2. Para comparar dos pH, restá: la diferencia es el exponente. De pH 6 a pH 3 hay 3 unidades: 10³ = 1000 veces más H⁺.
3. El de pH más bajo es el que tiene más H⁺.
Se disuelve una cucharada de sal de mesa (NaCl) en un vaso de agua. a) ¿Qué uniones hay dentro de cada molécula de agua, entre moléculas de agua vecinas, y entre el Na⁺ y el Cl⁻ del cristal antes de disolverlo? b) ¿Cómo queda rodeado cada ion al disolverse? c) Otra solución tiene [H⁺] = 10⁻⁶ mol/L: ¿qué pH tiene, y cuántas veces más H⁺ tiene que una de pH 8?
Primero hay que separar las uniones que arman una molécula de las que enganchan una molécula con otra.
Dentro de cada molécula de agua, el O y cada H comparten electrones: covalente polar (polar porque el O los atrae más).
Entre moléculas de agua vecinas: puentes de hidrógeno, el H δ⁺ de una atraído por el O δ⁻ de otra.
En el cristal seco, el Na⁺ y el Cl⁻ son dos iones de carga opuesta: iónica.
Cada Na⁺ (positivo) queda rodeado de moléculas de agua que le apuntan el oxígeno, su lado δ⁻.
Cada Cl⁻ (negativo) queda rodeado de moléculas que le apuntan los hidrógenos, su lado δ⁺.
La atracción de muchas moléculas de agua le gana a la unión iónica, y el cristal se desarma. Las uniones covalentes del agua no se tocan.
[H⁺] = 10⁻⁶ → pH = 6, levemente ácido.
De pH 6 a pH 8 hay 2 unidades: 10² = 100 veces más H⁺ en la de pH 6.
Dónde se pierde el ejemplo: en decir que el agua «rompe sus uniones» al disolver la sal (no rompe ninguna covalente), en poner el oxígeno del agua mirando al Cl⁻ (cargas iguales se repelen), y en contestar «2 veces» en el c), leyendo el pH como si fuera lineal.
¿Por qué un lago de la Patagonia se congela en la superficie y no hasta el fondo, y qué pasaría con los peces si el hielo fuera más denso que el agua líquida?
La clave es la red de puentes de hidrógeno. En el agua líquida los puentes se rompen y se rearman, y las moléculas pueden acercarse bastante. Al congelarse, cada molécula queda fija con sus cuatro puentes en una red ordenada y abierta: ocupa más lugar, y el hielo es menos denso que el agua.
Si el hielo fuera más denso. Cada capa que se congelara se hundiría, dejaría otra vez agua expuesta al frío, y el lago se iría llenando de hielo desde el fondo. Con un invierno largo se congelaría entero, con los peces adentro.
Dónde se pierde el punto: en explicarlo sólo con «el hielo es más liviano», sin decir por qué. La respuesta completa nombra la red de puentes de hidrógeno, que es la razón de que el sólido ocupe más volumen.
Dónde se cae la mayoría
- Pensar que hervir agua rompe las uniones entre el oxígeno y los hidrógenos. Lo que se rompe son los puentes de hidrógeno entre moléculas: la molécula de agua sigue entera en el vapor.
- Leer la escala de pH como si fuera lineal. De pH 5 a pH 3 no hay «el doble» de H⁺: hay cien veces más, porque cada unidad es un factor 10.
- Creer que un pH más alto es más ácido. Es al revés: cuantos más H⁺, más bajo el número.
- Confundir el puente de hidrógeno con una unión covalente con hidrógeno. El puente es entre moléculas (o partes alejadas de una), débil; la covalente arma la molécula.
- Decir que el aceite no se mezcla porque «el agua lo rechaza con su carga». El aceite no tiene carga: queda afuera porque el agua se une consigo misma y no tiene con qué engancharse a él.
Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.
Practicar Agua, iones y uniones químicas →Dónde entra este tema en el parcial
- Primer parcial — La mayonesa casera15 puntos · resuelto paso a paso
Los otros temas de la unidad 2
Las moléculas de la vida