2.2.2. Agua y electrolitos

El agua es comúnmente considerada el “solvente de la vida” y la fase continua de la célula.

Este arreglo electrónico resulta en una asimetría eléctrica. El átomo de oxígeno es fuertemente electronegativo y tiende a atraer los electrones de los átomos de hidrógeno, dejando a cada átomo de hidrógeno con una carga parcial positiva localizada en la zona de orbitales no compartidos. Así, aun cuando la molécula de agua sea eléctricamente neutra, es un dipolo eléctrico.

En una molécula de agua, cada uno de los dos átomos de hidrógeno comparte un par de electrones con el átomo de oxígeno, siendo el ángulo de enlace H-O-H de 104.45° y la distancia interatómica hidrógeno-oxígeno promedio de 95.84 pm (1 pm = 10-12 m).

Al acercarse una molécula de agua a otra, hay una atracción electrostática entre el átomo de oxígeno con carga parcial negativa (δ2) de una molécula de agua y un átomo de hidrógeno con carga parcial positiva (δ1) de la otra molécula.

Una unión electrostática entre dos moléculas, mediada por un átomo de hidrógeno, se denomina puente de hidrógeno.

Puente de hidrógeno entre dos partículas de agua.

Los puentes de hidrógeno son muy débiles en comparación con los enlaces covalentes.

En el agua líquida, los puentes de hidrógeno se forman y deshacen rápidamente. En consecuencia, el agua líquida es tanto fluida como altamente enlazada con puentes de hidrógeno.

El hidrógeno con su carga positiva en una molécula de agua, ocasionalmente puede “saltar” a otra molécula de agua con la que esté formando un puente de hidrógeno, lo que resulta en la formación de un ion hidronio (H3O+) y un ion hidróxido (OH). Por convención, el ion hidronio se simboliza simplemente como un protón H+, y se considera que está hidratado.

Las sales cristalinas, las moléculas polares, las moléculas con carga eléctrica, los grupos funcionales alcohol, aldehído, cetona, amino, carboxilo, éster y otros, fácilmente se disuelven en agua por la atracción electrostática entre los dipolos del agua y las cargas eléctricas, sean parciales o netas.

El cloruro de sodio (NaCl), por ejemplo, se disuelve fácilmente en agua porque establece una atracción electrostática entre los dipolos del agua y los iones Na+ y Cl-. El resultado son iones rodeados por moléculas de agua, cuya estabilidad excede a la tendencia natural de Na+ y Cl- a atraerse entre sí.

Las sustancias que al disolverse en el agua forman iones, se denominan electrolitos.

Son ejemplos de iones positivos o cationes:

  • Ca2+ Calcio
  • K+ Potasio
  • Na+ Sodio
  • Mg2+ Magnesio
  • NH4+
  • Amonio

Son ejemplos de iones negativos o aniones:

  • Cl- Cloruro
  • HPO42- Fosfato
  • HCO3– Bicarbonato
  • SO42- Sulfato
  • NO3– Nitrato

Interacción hidrofílica e interacción hidrofóbica

La afinidad entre iones o grupos funcionales o moléculas enteras y el agua se denomina interacción hidrofílica, y resulta en la solubilidad de la partícula en el agua.

En cambio, las moléculas constituidas solamente por carbono e hidrógeno, denominadas hidrocarburos, son no polares y no forman puentes de hidrógeno con el agua; más bien son afines con otras moléculas no polares. Esta afinidad entre moléculas no polares se denomina interacción hidrofóbica, y resulta en la solubilidad de moléculas no polares en solventes no polares, como tetracloruro de carbono, cloroformo y benceno; pero no en agua.

Ejemplo de interacción hidrofílica.

2.2.3. Biomoléculas

La célula transforma moléculas pequeñas en moléculas grandes útiles para realizar procesos celulares. Esta fase de construcción requiere energía y se denomina síntesis.

La transformación de moléculas grandes en moléculas pequeñas libera energía, la cual es utilizada por la célula. Esta fase de destrucción se denomina degradación.

El metabolismo es el conjunto de todos los procesos de síntesis y de degradación que ocurren en la célula.

Una biomolécula es una molécula que forma parte de la célula.

En esta sección analizaremos solamente los principales conjuntos de biomoléculas orgánicas:

  • Carbohidratos
  • Lípidos
  • Proteínas
  • Ácidos nucleicos

2.2.4. Carbohidratos

La palabra carbohidrato fue utilizada originalmente para referirse a la glucosa, un azúcar abundante de extraordinaria importancia biológica. Ya que la fórmula de la glucosa es (CH2O)6, alguna vez se pensó que era un “hidrato” de carbono. Posteriormente fue descubierta la estructura de la glucosa, pero también otros compuestos cuya fórmula era (CH2O)n, y el nombre genérico de “carbohidratos” persistió.

Los carbohidratos son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas y sus derivados. Polihidroxi- significa que el enlace covalente entre un átomo de carbono y un grupo hidroxilo (C-OH) está presente muchas veces en la estructura del carbohidrato; mientras que los aldehídos y las cetonas tienen en común poseer un grupo carbonilo (C=O) en su estructura.

Los carbohidratos también se denominan sacáridos o azúcares, y se clasifican en:

  • Monosacáridos
  • Disacáridos
  • Oligosacáridos
  • Polisacáridos

2.2.4.1. Monosacáridos

Los monosacáridos son azúcares simples. Consisten en una sola unidad de polihidroxialdehído o polihidroxicetona, cuya fórmula es (CH2O)n, en donde n ≥ 3.

Todos los monosacáridos, excepto la dihidroxiacetona, contienen uno o más átomos asimétricos de carbono, y por consiguiente pueden existir como estereoisómeros D o L, siendo la serie D la imagen en espejo de la serie L. En la naturaleza, la serie abundante es la D.

El monosacárido más abundante es la D-glucosa, referida simplemente como glucosa. Existe ya sea como cadena lineal o como anillo hexagonal por ocurrir una reacción del grupo aldehído con un grupo hidroxilo de la misma molécula, una reacción reversible que alcanza un equilibrio entre ambas formas.

La glucosa es el producto principal de la fotosíntesis y la principal fuente de energía química de la célula. Casi todos los demás carbohidratos son derivados de la glucosa. Otros monosacáridos comunes son:

  • Fructosa
  • Ribosa
  • Desoxirribosa

Fructosa. Es un azúcar simple de frutas y algunas raíces vegetales.

Ribosa y desoxirribosa. Son polihidroxialdehídos de cinco carbonos, que

forman parte de la estructura de los ácidos nucleicos.

2.2.4.2. Disacáridos

Los disacáridos son carbohidratos constituidos por dos unidades de monosacárido unidas por un enlace glucosídico.

Un enlace glucosídico se forma al unir dos moléculas de carbohidrato por eliminación de una molécula de agua de ellas.

Los disacáridos más comunes son:

  • Sacarosa
  • Lactosa
  • Maltosa

Lactosa. Es el azúcar de la leche. Consiste en una molécula de galactosa unida a una molécula de glucosa por un enlace beta(1→4).

Maltosa. Es un disacárido que se obtiene al ser degradados los polisacáridos almidón y glucógeno. Consiste en dos moléculas de glucosa unidas por un enlace alfa(1→4).

2.2.4.3. Oligosacáridos

Los oligosacáridos son carbohidratos que contienen de 3 a 10 unidades de monosacárido unidas en cadenas lineales o ramificadas. Comúnmente se les refiere por su número de unidades de monosacárido, como trisacáridos, tetrasacáridos y así por el estilo. En la naturaleza se encuentran en forma libre o unida.

2.2.4.4. Polisacáridos

Los polisacáridos son carbohidratos que contienen muchas unidades de monosacárido unidas en cadenas lineales o ramificadas.

Estructura de la celulosa.

La mayoría de polisacáridos contienen miles de unidades de monosacárido de una sola clase (p. ej., glucosa) o de dos clases alternantes (p. ej. glucosa-fructosa). Tienden a ser insolubles en agua y a dejar de tener un sabor dulce. Los polisacáridos más comunes son:

  • Celulosa
  • Almidón
  • Glucógeno

Celulosa. Es el principal componente estructural de la pared celular vegetal. La madera es principalmente celulosa y lignina, mientras que el algodón y el papel son casi celulosa pura. Está constituida por unidades repetidas de glucosa, unidas por enlaces beta beta(1→4). Los humanos no podemos digerir celulosa porque no poseemos una enzima capaz de romper estos enlaces beta.

Almidón. Es un polímero de unidades de glucosa, unidas por enlaces alfa(1→4) y ramificaciones alfa(1→6). Por lo general está constituido por una mezcla de amilosa (polímero lineal) y amilopectina (polímero ramificado). El almidón es particularmente abundante en granos de trigo, arroz, raíces vegetales como papas, y legumbres como frijol y chícharo. Los humanos digerimos fácilmente almidón.

Glucógeno. Es un polisacárido cuya estructura es una cadena ramificada de unidades de glucosa, unidas por enlaces alfa(1→4) y ramificaciones alfa(1→6). El glucógeno es más ramificado y más compacto que la amilopectina. Es la molécula de almacenamiento de glucosa como fuente de energía en células animales.


Examen de repaso

1. Las sustancias que al disolverse en el agua forman iones, se denominan:

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2. La unión electrostática entre dos moléculas, mediada por un átomo de hidrógeno, se denomina:

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3.   ¿Cuál de las opciones completa correctamente el siguiente párrafo?

La afinidad entre iones o grupos funcionales o moléculas enteras y el agua se denomina ____________________, y resulta en la solubilidad de la partícula en el agua.

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4. Es la transformación en la célula de moléculas pequeñas en moléculas grandes, útiles para realizar procesos celulares. Esta fase de construcción requiere energía y se denomina:

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5. Es la transformación en la célula de moléculas grandes en moléculas pequeñas, un proceso que libera energía. Esta fase de destrucción se denomina:

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6. Se les denomina así a las moléculas que forman parte de la célula:

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7. Son biomoléculas definidas como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas y sus derivados:

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8. Es el principal producto de la fotosíntesis y todas las células son capaces de degradar esta molécula de carbohidrato para obtener energía:

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9. Es el azúcar de caña. Consiste en una molécula de glucosa y una de fructosa unidas por un enlace glucosídico:

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