Biología I: Células y genética › La química de la vida · lección de muestra
Aprieta cualquier ser vivo —una hoja, una medusa, tu propio pulgar— y lo que estás apretando es, sobre todo, agua. El cuerpo humano es aproximadamente 60 % agua en masa, y una célula es, en esencia, una gotita bulliciosa donde ocurre cada reacción de la vida. La biología, en su nivel más fundamental, es química que sucede en el agua. Para entender las células y los genes, debemos empezar por los átomos de los que están hechos y por la extraordinaria molécula que los alberga a todos.
Toda la materia está formada por átomos, y los seres vivos usan una lista sorprendentemente corta de elementos. Solo cuatro —carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno— constituyen cerca del 96 % de la masa de cualquier organismo, y el fósforo y el azufre completan lo esencial: un conjunto que los biólogos recuerdan con las siglas CHNOPS (por sus iniciales en inglés). Lo que un átomo hace químicamente depende de sus electrones, en especial los de su capa más externa. Los átomos son más estables cuando tienen esa capa externa completa, y alcanzan esa estabilidad formando enlaces.
Dos tipos de enlace importan desde ya. En un enlace covalente, dos átomos comparten un par de electrones; este es el vínculo fuerte y estable que mantiene unidas a las moléculas biológicas. En un enlace iónico, un átomo transfiere un electrón a otro, y los iones resultantes, de carga opuesta, se atraen. Cuando el reparto covalente es desigual —un átomo tira con más fuerza de los electrones compartidos— el enlace es polar, y deja un extremo ligeramente negativo y el otro ligeramente positivo. Ese pequeño desequilibrio termina importando enormemente.
Una molécula de agua es un solo átomo de oxígeno unido covalentemente a dos hidrógenos y doblado en una amplia V. El oxígeno acapara los electrones compartidos, así que su extremo lleva una carga parcial negativa y los extremos de hidrógeno llevan cargas parciales positivas. Por eso el agua es polar, y la región positiva de una molécula de agua es atraída por la región negativa de su vecina. Esta atracción débil es el enlace de hidrógeno. Un solo enlace de hidrógeno se rompe con facilidad, pero en el agua líquida cada molécula está unida por enlaces de hidrógeno a varias vecinas a la vez, y esa red que se rehace constantemente le da al agua su comportamiento extraordinario.
Cohesión y tensión superficial. Las moléculas de agua se aferran unas a otras, lo que permite que el agua ascienda desde las raíces de un árbol hasta sus hojas más altas y forme una película superficial lo bastante firme para que un zapatero de agua camine sobre ella.
Estabilidad térmica. Romper enlaces de hidrógeno absorbe calor, así que el agua resiste los cambios bruscos de temperatura, amortiguando tanto a las células como a los océanos frente a variaciones repentinas.
El hielo flota. En el hielo sólido, los enlaces de hidrógeno fijan las moléculas en una red abierta que es menos densa que el agua líquida, así que el hielo flota y aísla el agua de abajo, razón por la cual la vida sobrevive bajo un estanque congelado.
El solvente universal. El agua polar rodea y disuelve otras sustancias polares y cargadas, llamadas hidrofílicas (que aman el agua), mientras que las sustancias no polares, como los aceites, quedan excluidas y se llaman hidrofóbicas (que temen al agua). Esta simple división es, más adelante, lo que organiza toda membrana celular.
De vez en cuando, una molécula de agua se divide en un ion hidrógeno y un ion hidróxido. La concentración de iones hidrógeno determina el pH de una solución, una escala de 0 a 14: un pH bajo es ácido (muchos iones hidrógeno), un pH alto es básico (pocos), y el agua pura se ubica neutra en 7. La escala es logarítmica, así que cada unidad representa un cambio de diez veces. Los sistemas vivos son exquisitamente sensibles al pH —la mayoría de las células humanas funcionan cerca de 7.4— y dependen de amortiguadores que absorben o liberan iones hidrógeno para mantener el pH estable. Un cambio de solo unas décimas en el pH de la sangre puede poner la vida en riesgo.
Todos los temas posteriores de este curso se apoyan en esta química. Las proteínas se pliegan porque algunas regiones son hidrofílicas y otras hidrofóbicas; las membranas existen porque los lípidos huyen del agua; las dos hebras del ADN están unidas por enlaces de hidrógeno lo bastante suaves como para abrirse durante la copia. Domina la molécula polar del agua y sus enlaces de hidrógeno cambiantes, y las moléculas de la vida dejarán de ser una lista para memorizar y empezarán a ser una historia que tiene sentido.
Plan de estudios alineado con Biology 2e de OpenStax; todo el texto de las lecciones es original de Syllabus.
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