capÍtulo 2 quÍmica bÁsica
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INTRODUCCIÓN AL CUERPO HUMANO
FUNDAMENTOS DE ANATOMÍA Y FISIOLOGÍA
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PEM MANUEL JOSÉ SANDOVAL URÍZAR
CAPÍTULO 2
QUÍMICA BÁSICA
¿Sabía que…? ¿Cuán a menudo escuchó hablar
acerca de las grasas de la dieta? Es probable que haya
presenciado numerosos debates acerca de los beneficios
para la salud de las grasas (ácidos grasos)
monoinsaturadas y poliinsaturadas en contraposición con
las saturadas. La bioquímica de los ácidos grasos es la
responsable de las funciones fisiológicas que éstos
desempeñan.
Gran parte de las investigaciones se han centrado en
el comportamiento de las diversas clases de ácidos grasos
presentes en el cuerpo. Hace algunos años muchos
científicos pensaban que se debían consumir bajas
cantidades de todos los tipos de grasas para evitar las
enfermedades cardíacas. Ahora creen que ciertos tipos de
ácidos grasos no saturados, como los que se encuentran
en los aceites de pescado, pueden reducir el riesgo de
enfermedades cardiovasculares. (Ver Anexo B. Vida
Sana)
Muchas de las sustancias que con frecuencia
comemos y bebemos (agua, azúcar, sal de mesa,
proteínas, almidones, grasas) desempeñan papeles
fundamentales para mantenernos con vida. En este
documento, usted aprenderá cómo actúan esas sustancias
en su cuerpo. Ya que éste se compone de sustancias
químicas y todas las actividades corporales son de
naturaleza química, es importante familiarizarse con
lenguaje y los fundamentos de la Química para
comprender la anatomía y la fisiología humana.
INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA
Objetivos: Definir un elemento químico, un átomo,
un ión, una molécula y un compuesto.
Explicar cómo se forman los enlaces químicos.
Describir qué ocurre en una reacción química y
explicar por qué es importante para el cuerpo humano.
La Química es la ciencia que estudia la estructura y
las interacciones de la materia, que es todo aquello que
ocupa un espacio y tiene masa. La masa es la cantidad de
materia presente en los organismos vivos o en las cosas
inanimadas.
Elementos Químicos y Átomos
Todas las formas de materia se construyen a partir de
un número limitado de componentes básicos llamados
elementos químicos, sustancias que no pueden ser
degradadas a formas más simples por los medios
químicos comunes. Hasta el momento, los científicos
reconocen 112 elementos diferentes. Cada elemento se
designa con un símbolo químico, formado por una o dos
letras del nombre del elemento en inglés, latín u otro
idioma. Ejemplos de ellos son H para hidrógeno, C para
carbono, O para oxígeno, N para nitrógeno, K para
potasio, Na para sodio, Fe para hierro y Ca para calcio.
En condiciones normales existen en el cuerpo
humano veintiséis elementos. Sólo cuatro de ellos,
llamados elementos mayores, constituyen cerca del 96%
de la masa corporal: el oxígeno, el carbono, el hidrógeno
y el nitrógeno. Otros ocho, los elementos menores,
contribuyen con 3,8% de la masa corporal: el calcio (Ca),
el fósforo (P), el potasio (K), el azufre (S), el sodio (Na),
el cloro (Cl), el magnesio (Mg) y el hierro (Fe). En
cantidades mínimas se pueden encontrar otros catorce
(los oligoelementos). Juntos son responsables del 0,2%
restante de la masa corporal. Muchos de ellos cumplen
importantes funciones dentro del cuerpo. Por ejemplo, el
yodo (I) es necesario para la síntesis de las hormonas
tiroideas. Las funciones de algunos de los oligoelementos
aún se desconocen. En el Cuadro 2.1 del anexo B
figuran los principales elementos químicos del cuerpo
humano.
Cada elemento está formado por átomos, las
unidades, de materia más pequeñas capaces de conservar
las propiedades y las características del elemento. Una
muestra del elemento carbono, como el carbón puro,
contiene sólo átomos de carbono y un tanque de gas helio
tiene sólo átomos de helio.
Un átomo consta de dos partes básicas: un núcleo y
un electrón o más (Anexo B. Figura 2.1). El núcleo,
ubicado en el centro, contiene protones con carga
eléctrica positiva (p+) y neutrones (n
0) sin carga (carga
neutra). Como cada protón tiene una cargar positiva, el
núcleo tiene carga positiva. Los electrones (e-) son
partículas diminutas con carga negativa que se mueven
en un amplio espacio que rodea el núcleo. No siguen un
recorrido u órbita predeterminada, sino que forman una
“nube” con carga negativa que rodea el núcleo (Figura
2.1 a. Anexo B). El número de electrones de un átomo es
igual al número de protones. Dado que cada electrón
lleva una carga negativa, los electrones y los protones
equilibran sus cargas entre sí. Como resultado, cada
átomo es neutro desde el punto de vista eléctrico, lo que
significa que su carga total es cero.
El número de protones dentro del núcleo de un átomo
se denomina número atómico. Los átomos de cada clase
de elemento tienen un número de protones diferente en el
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núcleo: un átomo de hidrógeno tiene 1 protón, un átomo
de carbono tiene 6 protones, un átomo de sodio tiene 11,
uno de cloro 17, etc. (Figura 2.2 Anexo B). Por lo tanto,
cada tipo de átomo o elemento tiene un número atómico
diferente. El número total de protones más los neutrones
de un átomo forman su número de masa. Por ejemplo,
un átomo de sodio, con 11 protones y 12 neutrones en su
núcleo tiene un número de masa de 23.
Aunque no se puede predecir con exactitud sus
posiciones, es probable que grupos específicos de
electrones se muevan dentro de ciertas regiones alrededor
del núcleo. Estas regiones se denominan niveles de
energía o capad de electrones y se representan en las
Figuras 2.1b y 2.2 del Anexo B, como círculos
alrededor del núcleo aunque sus formas son esféricas. El
nivel de energía más cercano al núcleo (la primera capa
de electrones) nunca tiene más de dos electrones. El
segundo nivel de energía puede tener hasta un máximo
de ocho electrones y en el tercer nivel puede haber hasta
18. El máximo nivel de energía (puede haber hasta siete)
puede contener muchos más electrones. Los niveles de
energía se llenan de electrones en un orden específico a
partir del primer nivel.
Iones, Moléculas y Compuestos
Los átomos de cada elemento tienen una forma
característica de ganar, perder o compartir sus electrones
cuando interactúan con otros átomos. Si un átomo cede o
gana electrones se transforma en un ión, un átomo con
carga positiva o negativa debida a un número desigual de
protones y electrones. El ión de un átomo se representa
escribiendo su símbolo químico seguido del número de
cargas positivas (+) o negativas (). Por ejemplo, Ca2+
indica que el ión calcio tiene dos cargas positivas porque
cedió dos electrones. En el Cuadro 2.1 del Anexo B,
pueden verse las importantes funciones que tienen los
diversos iones en el cuerpo.
En cambio, cuando dos átomos o más comparten
electrones, la combinación resultante se denomina
molécula. La formula molecular indica el número y el
tipo de átomo que constituyen una molécula. Ésta puede
estar formada por dos átomos del mismo elemento, como
una molécula de oxígeno o una de hidrógeno, o por dos
átomos o más de diferentes elementos, como la molécula
de agua (Figura 2.3 anexo B). La fórmula de la molécula
de oxígeno es O2. En la molécula de agua, H2O, un
átomo de oxígeno comparte electrones con dos átomos de
hidrógeno. Nótese que dos moléculas de hidrógeno
pueden combinarse con una molécula de oxígeno para
formar dos moléculas de agua (Figura 2.3 anexo B).
Un compuesto es una sustancia que contiene átomos
de dos o más elementos distintos. La mayoría de los
átomos del cuerpo forman parte de compuestos, por
ejemplo, el agua (H2O). Una molécula de oxígeno (O2)
no es un compuesto ya que está formada por dos átomos
del mismo elemento.
Un radical libre es un ión o una molécula cargados
eléctricamente con un electrón no apareado en su capa
más externa. (La mayoría de los electrones de los átomos
se agrupan de a pares). Un ejemplo común de un radical
libre es el superóxido, que se forma por el agregado de
un electrón a una molécula de oxígeno. La presencia de
un electrón no apareado hace que el radical libre sea
inestable y destructivo para las moléculas que lo rodean.
Los radicales libres pueden destruir importantes
moléculas del cuerpo tanto al ceder sus electrones no
apareados como el captar un electrón de otra molécula.
En el cuerpo humano diversos procesos pueden
generar radicales libres. Éstos pueden ser el resultado de
la exposición a la luz ultravioleta proveniente de la luz
solar o a los rayos X. Algunas reacciones que ocurren
durante los procesos metabólicos normales producen
radicales libres. Más aún, ciertas sustancias nocivas,
como el tetracloruro de carbono (un solvente utilizado en
tintorería para limpieza en seco) generan un aumento de
los radicales libres cuando participan en las reacciones
metabólicas del organismo. Entre los muchos trastornos y
enfermedades relacionadas con los radicales libres
derivados del oxígeno se encuentran el cáncer, la
aterosclerosis, la enfermedad de Alzheimer, el enfisema,
la diabetes mellitus, las cataratas, la degeneración
macular (maculopatía), la artritis reumatoide y el
deterioro asociado con el envejecimiento. Se cree que el
consumo de más antioxidantes (sustancias que inactivan
a los radicales libres derivados del oxígeno) puede
disminuir la velocidad del deterioro causado por éstos.
Algunos de los antioxidantes más importantes presentes
en la dieta son el selenio, el cinc, los betacarotenos y las
vitaminas C y E.
Enlaces Químicos
Las fuerzas que mantienen unidos a los átomos de
una molécula o de un compuesto son los enlaces o
uniones químicas. La posibilidad de que un átomo
forme un enlace químico con otro depende del número de
electrones que hay en su nivel de energía más externo o
nivel de valencia. Un átomo que contiene ocho
electrones en este nivel es químicamente estable, lo que
significa que es improbable que forme enlaces químicos
con otros átomos. El neón, por ejemplo, tiene ocho
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electrones en su nivel de valencia y por esta razón no es
frecuente que forme enlaces con otros átomos.
Los átomos de los elementos de mayor importancia
biológica no tienen ocho electrones en sus niveles de
valencia. En condiciones normales, dos o más de tales
átomos pueden interactuar o unirse de manera que logran
una estructura químicamente estable de ocho electrones
en el nivel de valencia de cada átomo (ley del octeto).
Los tres tipos generales de enlaces químicos son los
enlaces iónicos, los enlaces covalentes y los puentes de
hidrógeno.
Enlaces iónicos
Los iones con carga positiva y los iones con carga
negativa se atraen entre sí. Esta fuerza de atracción que
mantiene unidos a los iones de cargas opuestas se
denomina enlace iónico. Considere los átomos de sodio
y de cloro para ver cómo se forma un enlace iónico
(Figura 2.4 anexo B). El sodio tiene un electrón de
valencia (Figura 2.4a anexo B). Si cede ese electrón, se
queda con ocho electrones en su segundo nivel. Sin
embargo, el número total de protones (11) ahora excede
el número de electrones (10). Así el átomo de sodio se
transforma en un catión, un ión con carga positiva. Un
ión de sodio tiene una carga de 1+ y se escribe Na+. Por
otra parte, el cloro tiene siete electrones de valencia
(Figura 2.4b anexo B), demasiados para cederlos. Pero,
si el cloro gana un electrón de un átomo cercano tendrá
ocho electrones en su tercer nivel de energía. Cuando
esto ocurre, el número total de electrones (18) excede al
número de protones (17) y el átomo de cloro se convierte
en un anión, un ión con carga negativa. La forma iónica
del cloro se denomina cloruro. Tienen una carga de 1 y
se escribe Cl-. Cuando un átomo de sodio cede su único
electrón de valencia a un átomo de cloro, las cargas
positivas y negativas se atraen y forman un enlace iónico
(Figura 2.4c anexo B). El compuesto iónico resultante es
el cloruro de sodio, que se escribe NaCl.
En el cuerpo, los enlaces iónicos se encuentran sobre
todo en los dientes y en los huesos, donde otorgan gran
firmeza a los tejidos. Un compuesto iónico que, al
disolverlo, se disocia en aniones y cationes se denomina
electrolito porque la solución formada puede conducir
corriente eléctrica. Los electrolitos cumplen numerosas
funciones de gran importancia. Por ejemplo, son
fundamentales para regular el transporte de agua dentro
del cuerpo, para el mantenimiento del equilibrio ácido-
base y para la producción de los impulsos nerviosos.
Enlaces covalentes
Cuando se forma un enlace covalente, ninguno de los
átomos que se combinan gana o cede electrones. En lugar
de ello, forman una molécula al compartir uno, dos o tres
pares de electrones de valencia. Cuando mayor sea el
número de pares de electrones compartidos, más fuertes
será el enlace covalente. Estos enlaces son los más
comunes en el cuerpo humano y los compuestos que
resultan de ellos forman la mayoría de las estructuras
corporales. A diferencia de los enlaces iónicos, la
mayoría de los enlaces covalentes no se disocian cuando
se los disuelven en agua.
Es más fácil comprender la naturaleza de los enlaces
covalentes cuando se piensa en los que se forman entre
átomos de un mismo elemento (Figura 2.5 anexo B).
Cuando dos átomos comparten un único par de
electrones se forma un enlace covalente simple. Por
ejemplo, una molécula de hidrógeno está constituida por
dos átomos de hidrógeno que comparten su único
electrón de valencia (Figura 2.5a anexo B), lo que
permite que ambos tengan su nivel de valencia completo.
(Recuerde que el primer nivel de valencia sólo puede
tener dos electrones.) Un enlace covalente doble (Figura
2.5b anexo B) o un enlace covalente triple (Figura 2.5c
anexo B) se forma cuando dos átomos comparten dos o
tres pares de electrones. Obsérvense en la Figura 2.5
anexo B, las fórmulas estructurales de moléculas unidas
de forma covalente. El número de líneas entre los
símbolos químicos de dos átomos indica si el enlace es
simple (), doble (=) o triple ().
Los principios que se aplican a los enlaces covalentes
entre átomos del mismo elemento son válidos también
para los enlaces covalentes entre átomos de elementos
diferentes. El gas metano (CH4) contiene cuatro enlaces
covalentes simples separados; cada átomo de hidrógeno
comparte un par de electrones con el átomo de carbono
(Figura 2.5d anexo B).
En algunos enlaces covalentes los átomos comparten
los electrones por igual, es decir que ninguno de los
átomos atrae a los electrones con mayor fuerza. Este tipo
de enlace se denomina enlace covalente no polar. Los
enlaces entre dos átomos idénticos siempre son uniones
covalentes no polares (Figura 2.5 a-c anexo B). Otro
ejemplo de enlace covalente no polar es el enlace
covalente simple que se forma entre el carbono y cada
átomo de hidrógeno en una molécula de metano (Figura
2.5d anexo B).
En un enlace covalente polar los átomos comparten
electrones en forma desigual: un átomo atrae a los
electrones compartidos con mayor fuerza que el otro.
Las cargas parciales se indican con una delta griega en
letra minúscula () seguida por un signo más o un signo
menos. Por ejemplo, cuando se forman enlaces
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covalentes polares, la molécula resultante tiene una carga
parcial negativa, que se escribe - , cerca del tomo que
atrae electrones con mayor fuerza. Entonces, en la
molécula al menos otro átomo tendrá una carga parcial
positiva, que se escribe +. Un ejemplo muy importante
de enlace covalente polar en los sistemas vivos es la
unión entre el oxígeno y el hidrógeno en la molécula de
agua (Figura 2.5e anexo B).
Puentes de hidrógeno
Los enlaces covalentes polares que se forman entre
átomos de hidrógeno y otros átomos dan origen a un
tercer tipo de unión química, los puentes de hidrógeno.
Éstos se producen cuando un átomo de hidrógeno con
una carga parcial positiva (+) atrae a la carga parcial
negativa (-) de los átomos electronegativos vecinos, por
lo general oxígeno o nitrógeno. Así, los puentes de
hidrógeno se generan a partir de la atracción de partes de
la molécula con cargas opuestas y no por compartir
electrones como en los enlaces covalentes. Los puentes
de hidrógeno son uniones débiles en comparación con los
enlaces iónicos o con los covalentes. Por ende, no pueden
unir átomos para formar moléculas. Sin embargo, los
puentes de hidrógeno establecen importantes uniones
entre moléculas o entre las distintas partes de una
molécula grande, como el ácido desoxirribonucleico
(ADN). Véase Figura 2.15 anexo B.
Reacciones Químicas
Una reacción química se produce cuando se forman
nuevos enlaces, se rompen los antiguos u ocurren ambas
cosas. A través de las reacciones químicas se construyen
las estructuras del cuerpo y se llevan a cabo sus
funciones, procesos que implican transferencia de
energía.
Formas de energía y reacciones químicas
Energía es la capacidad de realizar trabajo. Las dos
formas principales de energía son la energía potencial,
energía almacenada por la materia gracias a su posición y
la energía cinética, que es la energía que tiene la materia
en movimiento. Por ejemplo, la energía almacenada en
una pila o en una persona a punto de saltar unos
escalones es energía potencial. Cuando la pila se utiliza
para hacer funcionar un reloj o la persona salta, la energía
potencial se transforma en energía cinética. La energía
química es una forma de energía potencial que se
almacena en los enlaces de las moléculas. En el cuerpo
humano la energía química presente en los alimentos se
convierte en diversas formas de energía cinética, como la
energía mecánica, usada para caminar y hablar y la
energía calórica, utilizada para mantener la temperatura
corporal. En las reacciones químicas la rotura de enlaces
antiguos requiere aporte de energía y la formación de
enlaces nuevos libera energía. Dado que la mayoría de
las reacciones químicas implican la rotura de viejos
enlaces y la formación de nuevas uniones, la reacción
total puede tanto liberar como absorber energía.
Reacciones de síntesis
Cuando dos o más átomos, iones o moléculas se
combinan para formar moléculas nuevas y de mayor
tamaño, el proceso se conoce como reacción de síntesis.
La palabra síntesis significa “juntar”. Las reacciones de
síntesis pueden expresarse de la siguiente manera:
Un ejemplo de una reacción de síntesis es la
formación de agua a partir de las moléculas de hidrógeno
y oxígeno (véase Figura 2.3 anexo B):
Todas las reacciones de síntesis que se producen en el
cuerpo se conocen en conjunto como anabolismo. Un
ejemplo de anabolismo es la combinación de moléculas
simples, como los aminoácidos (que se analizarán en
breve), para formar moléculas de mayor tamaño, como
las proteínas.
Reacciones de degradación
En una reacción de degradación se escinde una
molécula. La palabra degradar significa dividir en partes
más pequeñas. Las moléculas grandes se dividen en
moléculas más pequeñas, iones o átomos. Una reacción
de degradación ocurre de la siguiente manera:
Por ejemplo, en condiciones apropiadas, una molécula de
gas metano puede degradarse a un átomo de carbono y
dos moléculas de hidrógeno:
Las reacciones de degradación que se produce en el
cuerpo humano se denominan en conjunto catabolismo.
La degradación de grandes moléculas de almidón en
numerosas y pequeñas moléculas de glucosa durante la
digestión es un ejemplo de catabolismo.
Se combina para formar
A + B AB Átomo, ión Átomo, ión Nueva molécula AB
o molécula A o molécula B
Se combina para formar
2H2 + O2 2H2O Dos moléculas Una molécula Dos moléculas
de hidrógeno de oxígeno de agua
Se divide en
AB A + B Molécula AB Átomo, ión Átomo, ión
o molécula A o molécula B
Se divide en
CH4 C + 2H2 Una molécula Un átomo Dos moléculas
De metano de carbono de hidrógeno
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En general, las reacciones que liberan energía se
producen a medida que los nutrientes, como la glucosa,
se dividen mediante reacciones de degradación. Una
parte de la energía liberada se almacena en forma
temporaria en una molécula especial denominada
adenosintrifosfato (ATP), que se analizará con detalles
más adelante en este documento. Luego, la energía
transferida a las moléculas de ATP se utiliza para llevar a
cabo las reacciones de síntesis que requieren energía y
que participan en la construcción de estructuras
corporales, como los músculos y los huesos.
Reacciones de intercambio
Muchas de las reacciones que ocurren en el cuerpo
son reacciones de intercambio y consisten en
reacciones tanto de síntesis como de degradación. La
siguiente es un tipo de reacción de intercambio:
Los elementos entre A y B y entre C y D se rompen
(degradación) y luego se forman nuevos enlaces
(síntesis) entre A y D y entre B y C. El siguiente es un
ejemplo de reacciones de intercambio:
Obsérvese que los iones de cada compuesto han
“cambiado de compañero”: el ión hidrógeno (H+)
proveniente del HCl se combinó con el ión bicarbonato
(HCO3-) del NaHCO3 y el ión sodio (Na
+) del NaHCO3,
se combinó con el ión cloruro (Cl-) del HCl.
Reacciones reversibles
Algunas reacciones químicas ocurren en una única
dirección, como se indicó antes con las flechas en un solo
sentido. Otras reacciones pueden ser reversibles. Las
reacciones reversibles pueden producirse en ambas
direcciones en diferentes circunstancias y se indican con
dos flechas con direcciones opuestas:
Algunas reacciones son reversibles sólo en
determinadas condiciones:
Lo que se describe encima o debajo de las flechas
indica la condición necesaria para que se produzca la
reacción. En estas reacciones AB se divide en A y B sólo
cuando se agrega agua, y A y B reaccionan para producir
AB cuando se aplicar calor.
Preguntas de Revisión
1. Compare los significados de número atómico,
número de masa, ión y molécula.
2. ¿Cuál es la importancia del nivel de valencia (el
más externo) de un átomo?
3. Establezca las diferencias entre los enlaces
iónicos, los enlaces covalentes y los puentes de
hidrógeno.
4. Explique la diferencia entre anabolismo y
catabolismo. ¿Qué implica las reacciones de
síntesis?
COMPUESTOS QUÍMICOS Y
PROCESOS VITALES
Objetivos: Analizar las funciones del agua y los
ácidos, las bases y las sales inorgánicos.
Definir pH y explicar cómo el cuerpo trata de
mantenerlo dentro de los límites de la homeostasis.
Analizar las funciones de los hidratos de carbono, los
lípidos y las proteínas.
Explicar la importancia del ácido ribonucleico (ARN)
y del adenosintrifosfato (ATP).
Las sustancias químicas del cuerpo se dividen en dos
clases principales de compuestos: orgánicos e
inorgánicos. En general, los compuestos inorgánicos
carecen de carbono, tienen estructuras simples y pueden
presentar tanto enlaces iónicos como covalentes.
Incluyen el agua, numerosas sales, ácidos y bases. Dos
compuestos inorgánicos que contienen carbono son el
dióxido de carbono (CO2) y el ión bicarbonato (HCO3-).
En cambio, los compuestos orgánicos siempre
contienen carbono, suelen llevar hidrógeno y siempre
forman enlaces covalentes. Los ejemplos incluyen los
hidratos de carbono, los lípidos, las proteínas, los ácidos
nucleicos y el adenosintrifosfato (ATP). Por medio del
enlace covalente de numerosas subunidades idénticas o
similares de componentes básicos llamados monómeros
se forman grandes moléculas orgánicas denominadas
macromoléculas.
Compuestos Inorgánicos
Agua
El agua es el compuesto inorgánico más importante y
más abundante de todos los sistemas vivos y constituyen
entre el 55% y el 60% de la masa corporal en los adultos
delgados. Con pocas excepciones, la mayor parte del
volumen de las células y de los líquidos corporales es
agua. Muchas de sus propiedades explican por qué el
agua es un compuesto vital.
1. El agua es un excelente solvente. Un solvente es un
líquido o un gas en el que algún otro material,
llamado soluto, puede disolverse. La combinación de
AB + CD AD + BC
HCl + NaHCO3 H2CO3 + NaCl Ácido Bicarbonato Ácido Cloruro de
clorhídrico de sodio carbónico sodio
Se divide en
AB A + B Se combinan para formar
Agua
AB A + B Calor
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un solvente con un soluto se denomina solución. El
agua es el solvente que transporta nutrientes, oxígeno
y desechos orgánicos a través del cuerpo. Su
versatilidad como solvente se debe a sus enlaces
covalentes polares y a su forma curva (véase Figura
2.5e anexo B), que permite que cada molécula de
agua interactúe con muchas moléculas o iones
vecinos. Los solutos que tienen cargo o que contienen
enlaces covalentes polares son hidrófilos (hidro-, de
hýdoor-, agua y –philéin, amar), lo que significa que
se disuelven con facilidad en el agua. El azúcar y la
sal son ejemplos comunes de solutos hidrófilos. En
cambio, las moléculas que contienen una mayor
proporción de enlaces covalentes no polares son
hidrófobas (-fobo, de phóbos, temor). No son muy
solubles en agua. Las grasas animales y los aceites
vegetales son ejemplos de compuestos hidrófobos.
2. El agua participa en reacciones químicas. Dado
que puede disolver numerosas sustancias diferentes,
el agua es un medio ideal para las reacciones
químicas. También participa en forma activa en
algunas de las reacciones de síntesis y de
degradación. Por ejemplo, durante la digestión las
reacciones de degradación fragmentan grandes
moléculas de nutrientes en moléculas más pequeñas
mediante el agregado de moléculas de agua. Este tipo
de reacción se denomina hidrólisis (-lisis, pérdida o
degradación) (véase Figura 2.8 anexo B). Las
reacciones de hidrólisis permiten que el cuerpo
absorba los nutrientes de la dieta.
3. El agua absorbe y libera calor en forma muy lenta.
En comparación con la mayoría de las otras
sustancias, el agua puede absorber o liberar
cantidades relativamente grandes de calor con sólo
una leve variación de su propia temperatura. Así, las
grandes cantidades de agua presentes en el cuerpo
moderan el efecto de las variaciones de temperatura
del medioambiente y, por ende, ayudan a mantener la
homeostasis de la temperatura corporal.
4. El agua requiere mucho calor para pasar del
estado líquido al gaseoso. Cuando el agua del sudor
se evapora desde la superficie de la piel, consume
gran cantidad de calor y proporciona un excelente
mecanismo de enfriamiento.
5. El agua actúa como lubricante. El agua es el
principal componente de la saliva, el moco y otros
líquidos lubricantes. La lubricación es necesaria sobre
todo en las cavidades torácica y abdominal, en las que
los órganos internos se rozan y deslizan entre sí.
También es necesaria en las articulaciones, donde los
huesos, los ligamentos y los tendones friccionan unos
contra otros.
Ácidos, bases y sales inorgánicos
Numerosos compuestos inorgánicos pueden
clasificarse como ácidos, bases y sales. Un ácido es una
sustancia que se divide o se disocia en uno o más iones
hidrógeno (H+) cuando se la disuelve en agua (Figura
2.6a anexo B). Al contrario, una base suele disociarse en
uno o más iones hidroxilo (OH-) cuando se disuelve en
agua (Figura 2.6b anexo B). Una sal, también cuando es
disuelta en agua, se disocia en cationes y aniones,
ninguno de los cuales es H+ o OH
- (Figura 2.6c).
Los ácidos y las bases reaccionan entre sí para formar
sales. Por ejemplo, la reacción entre el ácido clorhídrico
(HCl) y el hidróxido de potasio (KOH), una base,
produce una sal, el cloruro de potasio (KCl), y agua
(H2O). Esta reacción de intercambio se puede representar
de la siguiente manera:
Equilibrio ácido-base: el concepto de pH
Para asegurar la homeostasis, los líquidos corporales
deben contener cantidades similares de ácidos y de bases.
Cuando mayor sea la cantidad de iones hidrógeno (H+)
disueltos en una solución, más ácida será ésta: por el
contrario, cuanto mayor sea el número de iones hidroxilo
(OH-) más básicas será la solución. Las reacciones
químicas que se producen en el organismo son muy
sensibles a pequeñas variaciones de la acidez o la
alcalinidad de los líquidos corporales donde tienen lugar.
Cualquier desviación de los estrechos límites de las
concentraciones normales de H+ y OH
- genera grandes
alteraciones en las funciones corporales.
La acidez o alcalinidad de una solución de expresa en
la escala de pH, que se extiende desde 0 hasta 14
(Figura 2.7 anexo B). Esta escala se basa en la
concentración de iones hidrógeno de una solución. El
punto medio de la escala es el número 7, donde las
concentraciones de H+ y OH
- son iguales. Una solución
con un pH de 7, como el agua, es neutra: ni ácida ni
alcalina. Una solución que tiene más H+ que OH
- es
ácida y su pH es menor de 7. Una solución que tiene más
OH- que H
+ es básica (alcalina) y tiene un pH mayor de
7. Una variación de un número entero en la escala de pH
representa una variación de 10 veces en el número de H+.
un pH de 6 tiene 10 veces más H+ que un pH de 7.
Expresado de otra manera, un pH de 6 es 10 veces más
ácido que un pH de 7 y un pH de 9 es 100 veces más
alcalino que un pH de 7.
HCl + KOH KCl + H2O Ácido Base Sal Agua
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Mantenimiento del pH: sistemas amortiguadores o
buffers
Aunque el pH de los líquidos corporales puede variar,
los límites normales para cada uno de ellos son bastante
estrechos. En el Cuadro 2.2 anexo B se muestran los
valores de pH de algunos de los líquidos corporales
comparados con los de ciertas sustancias de uso
corriente. Los mecanismos homeostáticos mantienen el
pH de la sangre entre 7,35 y 7,45, es decir, un poco más
alcalino que el del agua pura. Aunque en el organismo se
incorporan o se forman de manera continua ácidos y
bases fuertes, el pH de los líquidos dentro y fuera de las
células se mantiene casi constante. Uno de los principales
motivos por los que esto ocurre es la presencia de
sistemas amortiguadores o buffers, en los que ciertos
compuestos químicos denominados amortiguadores
(buffers) convierten ácidos y bases fuertes en ácidos y
bases débiles.
Compuestos Orgánicos
Hidratos de carbono
Los hidratos de carbono incluyen los azúcares, el
glucógeno, los almidones y la celulosa. Los elementos
que constituyen los hidratos de carbono son el carbono,
el hidrógeno y el oxígeno. La relación entre el hidrógeno
y el oxígeno es de 2:1, la misma que la del agua (H2O) y
el número de átomos, de carbono y oxígeno es el mismo
o casi el mismo. Por ejemplo, la fórmula molecular de la
glucosa, un hidrato de carbono pequeño, es C6H12O6. Los
hidratos de carbono se dividen en tres grupos principales
según su tamaño: monosacáridos, disacáridos y
polisacáridos. Los monosacáridos y los disacáridos se
denominan azúcares simples, y los polisacáridos se
considerar hidratos de carbono complejos.
1. Los monosacáridos (mono-, uno y sacárido, azúcar)
son los componentes básicos de los hidratos de
carbono. En el organismo, la principal función de la
glucosa, un monosacárido, es servir como fuente de
energía química para la generación de ATP, que actúa
como combustible para las reacciones metabólicas.
La ribosa y la desoxirribosa son monosacáridos
utilizados para la formación de los ácidos
ribonucleico (ARN) y desoxirribonucleico (ADN).
2. Los disacáridos (di-, dos) son azúcares simples que
constan de dos monosacáridos unidos por un enlace
covalente. Cuando dos monosacáridos (moléculas
pequeñas) se combinan para formar un disacárido
(una molécula más grande), se forma una molécula de
agua y se la elimina. Esta reacción se denomina
síntesis por deshidratación (des-, privación hydra,
agua). Este tipo de reacciones se producen durante la
síntesis de moléculas grandes. Por ejemplo, los
monosacáridos glucosa y fructuosa se combinan para
formar el disacárido sacarosa (el azúcar de mesa),
como muestra la Figura 2.8 anexo B. Los disacáridos
se pueden dividir en monosacáridos mediante la
adición de una molécula de agua, en una reacción de
hidrólisis. La sacarosa, por ejemplo, puede
hidrolizarse en sus dos componentes, glucosa y
fructuosa si se le agrega agua (Figura 2.8 anexo B).
Otros disacáridos son la maltosa o azúcar de malta
(glucosa + glucosa) y la lactosa (glucosa + galactosa),
el azúcar de la leche.
3. Los polisacáridos (poli-, mucho) son hidratos de
carbono complejos y de gran tamaño que contiene
decenas o centenas de monosacáridos unidos por
reacciones de síntesis por deshidratación. Como
ocurre con los disacáridos, los polisacáridos se
pueden dividir en monosacáridos mediante reacciones
de hidrólisis. El principal polisacárido del cuerpo
humano es el glucógeno, que está formado en su
totalidad por moléculas de glucosa unidas entre sí en
cadenas ramificadas (Figura 2.9 anexo B). El
glucógeno se almacena en las células hepáticas y en
el músculo esquelético. Si la demanda energética
corporal es alta, el glucógeno se desdobla en glucosa;
cuando la demanda es baja, se vuelve a formar
glucógeno a partir de glucosa. Los almidones también
se generan a partir de la glucosa y son polisacáridos
elaborados en su mayoría por los vegetales. Los seres
humanos digerimos los almidones para transformarlos
en glucosa como otra fuente de energía. La celulosa
es un polisacárido presente en las paredes de las
células de las plantas y pese a que los seres humanos
no pueden digerirla, sus fibras la otorgan volumen a
las heces, lo que facilita su movilización a través del
intestino grueso. A diferencia de los azúcares simples,
los polisacáridos no suelen ser solubles en agua y no
tienen sabor dulce.
Lípidos
Al igual que los hidratos de carbono, los lípidos
(lipo-, grasa) contiene carbono, hidrógeno y oxígeno,
pero a diferencia de ellos, la relación entre el hidrógeno y
el oxígeno no es de 2:1. La proporción de átomos de
oxígeno en los lípidos suele ser menor que en los hidratos
de carbono y, por ende, tienen menos enlaces covalentes
polares. Como resultados, la mayoría de los lípidos son
hidrófobos, es decir que son insolubles en agua.
Las diversas familias de lípidos incluyen a los
triglicéridos (grasas y aceites), los fosfolípidos (lípidos
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que contienen fósforo), los esteroides, los ácidos grasos
y las vitaminas liposolubles (vitaminas A, D, E y K).
Los lípidos más abundantes el cuerpo y de la dieta
son los triglicéridos. A temperatura ambiente puede ser
sólidos (grasas) o líquidos (aceites). Es la forma más
concentrada de energía química el cuerpo y aportan más
del doble de energía por gramo que los hidratos de
carbono o las proteínas. La capacidad de almacenar
triglicéridos en el tejido adiposo (grasa) para cualquier
proceso necesario es ilimitada. El exceso de hidratos de
carbono, proteínas, grasas y aceites en la dieta tiene el
mismo destino: se depositan en el tejido adiposo en
forma de triglicéridos.
Un triglicérido está formado por dos tipos de
componentes básicos: una molécula de glicerol y tres
moléculas de ácidos grasos. La molécula de glicerol, con
tres carbonos, forma el esqueleto de un triglicérido
(Figura 2.10 anexo B). Los tres ácidos grasos se unen,
mediante reacciones de síntesis por deshidratación, cada
uno a un carbono del esqueleto de glicerol. Las cadenas
de ácidos grasos de un triglicérido pueden ser saturadas,
monoinsaturadas o poliinsaturadas. Las grasas
saturadas contienen sólo enlaces covalentes simples
entre los átomos de carbono de los ácidos grasos. Como
no contienen ningún enlace doble entre sí, cada uno de
los átomos de carbono se satura con átomos de
hidrógeno (véanse los ácidos palmítico o esteárico en la
Figura 2.10 anexo B). Los triglicéridos formados en su
mayor parte por ácidos grasos saturados son sólidos a
temperatura ambiente y se encuentran en su mayoría en
las carnes (sobre todo en las rojas) y en los productos
lácteos enteros (leche, queso y mantequilla). También se
los encuentra en algunas plantas tropicales como el
cacao, la palma y el coco. Las dietas que contienen
grandes cantidades de grasas saturadas se asocian con
enfermedad cardíaca y cáncer de colon. Las grasas
monoinsaturadas (mono, uno) contienen ácidos grasos
con un enlace covalente doble entre dos átomos de
carbono y, por lo tanto, no están completamente
saturados por átomos de hidrógeno (véase el ácido oleico
en la Figura 2.10 anexo B). Los aceites de oliva, de
maní y de canola y la mayoría de las nueces y las paltas
(aguacates) son rico en triglicéridos con ácidos grasos
monoinsaturados. Se considera que las grasas
monoinsaturadas disminuyen el riesgo de enfermedades
cardíaca. Las grasas poliinsaturadas (poli-, mucho)
contienen más de un enlace covalente doble entre los
átomos de carbono de los ácidos grasos. Los aceites de
maíz, de cártamo, de girasol y de soja y los pescados
grasos (salmón, atún y caballa) contienen un alto
porcentaje de ácidos grasos poliinsaturados. Se cree que
este tipo de grasas también disminuye el riesgo de
afecciones cardíacas. No obstante, cuando productos
como la margarina y la mantequilla de origen vegetal se
fabrican con grasas poliinsaturadas se producen
compuestos denominados ácidos grasos trans. Este tipo
de ácidos grasos, igual que las grasas saturadas,
aumentan el riesgo de enfermedades cardiovasculares.
Un grupo de ácidos grasos, llamados ácidos grasos
esenciales (AGE), son fundamentales para la salud
humana. Sin embargo, no pueden ser fabricados por el
cuerpo y se los debe obtener de los alimentos o de
suplementos alimentarios. Entre los AGE más
importantes están los ácidos grasos omega-3 y omega 6 y
los ácidos grasos cis.
Los omega 3 y omega 6 son ácidos grasos
poliinsaturados que podrían tener un efecto protector
contra enfermedades cardíacas y accidentes
cerebrovasculares porque disminuyen el colesterol total,
aumentan las HDL (lipoproteínas de alta densidad o
“colesterol bueno”) y disminuyen las LDL (lipoproteínas
de baja densidad o “colesterol malo”). Además,
disminuyen la pérdida de masa ósea, reducen los
síntomas de artritis debida a inflamación, promueven la
cicatrización de las heridas, tienen un efecto beneficioso
sobre ciertos trastornos cutáneos (psoriasis, eccema y
acné) y mejoran las funciones mentales. Las principales
fuentes de ácidos omega-3 son las semillas de lino, los
pescados grasos, los aceites que contienen grandes
cantidades de ácidos grasos poliinsaturados, los aceites
de pescado y las nueces. Las principales fuentes de
ácidos grasos omega-6 son la mayoría de los alimentos
procesados (cereales, panes, arroz blanco), los huevos,
los productos de panadería, los aceites que contienen
grandes cantidades de ácidos grasos poliinsaturados y las
carnes (en especial las vísceras, como el hígado).
Los ácidos grasos cis son ácidos grasos
monoinsaturados beneficiosos desde el punto de vista
nutritivo y que son utilizados por el cuerpo para producir
reguladores de tipo hormonal y membranas celulares.
Son embargo, cuando se los calienta, se presurizan y se
combinan con un catalizador (por lo general níquel) en
un proceso conocido como hidrogenación, se
transforman en ácidos grasos trans, poco saludables. Los
fabricantes utilizan la hidrogenación para que los aceites
vegetales sean sólidos a la temperatura del ambiente y
tengan menor tendencia a tornarse rancios. Los ácidos
grasos trans o hidrogenados son comunes en los
productos de panadería comercializados (galletas, tartas y
bizcochos), en los entremeses, en algunas margarinas y
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alimentos fritos (rosquillas y patatas fritas). Si un
producto tiene impresas en su etiqueta las palabras
“hidrogenado o parcialmente hidrogenado”, contiene
ácidos grasos trans. Entre sus efectos adversos están el
aumento del colesterol total, la disminución de las HDL,
el aumento de las LDL y el incremento de los
triglicéridos. Estos efectos, que pueden aumentar el
riesgo de enfermedad coronaria y de otros trastornos
cardiovasculares, son similares a los causados por las
grasas saturadas.
Igual que los triglicéridos, los fosfolípidos tienen un
esqueleto de glicerol y dos ácidos grasos unidos a los dos
primeros átomos de carbono (Figura 2.11a anexo B).
Ligado al tercer átomo de carbono se encuentra un grupo
fosfato ( PO43-
) que se une a un pequeño grupo con carga
eléctrica al esqueleto de glicerol. Mientras que los ácidos
grasos no polares forman las “colas” hidrófobas de un
fosfolípido, el grupo fosfato, polar, y el grupo con carga
eléctrica forman la “cabeza” hidrófila (Figura 2.11b
anexo B). Los fosfolípidos se alinean cola con cola en
una cadena doble para formar la membrana que rodea a
cada célula (Figura 2.11c anexo B).
La estructura de los esteroides, con sus cuatro anillos
de átomos de carbono, difiere en forma considerable de
la de los triglicéridos y los fosfolípidos. El colesterol
(Figura 2.12a anexo B), necesario para la estructura de
la membrana celular, es un esteroides a partir del cual las
células del cuerpo sintetizan otros esteroides. Por
ejemplo, las células de los ovarios sintetizan estradiol
(Figura 2.12b anexo B), que es uno de los estrógenos
(hormonas sexuales femeninas). Estas hormonas regulan
las funciones sexuales. Otros esteroides son la
testosterona (la principal hormona sexual masculina),
que también regula las funciones sexuales; el cortisol,
necesario para mantener normales los niveles de azúcar
en sangre; las sales biliares, que participan en la digestión
y absorción de los lípidos; y la vitamina D, relacionada
con el crecimiento óseo.
Proteínas
Las proteínas son moléculas grandes que contienen
carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno; algunas de
ellas también contienen azufre. Con una estructura
mucho más compleja que los hidratos de carbono o los
lípidos, las proteínas cumplen múltiples funciones en el
organismo y de ellas depende en gran medida la
estructura de las células. Por ejemplo, las proteínas
denominadas enzimas aceleran determinadas reacciones
químicas, otras proteínas son responsables de la
contracción muscular, los anticuerpos, que también son
proteínas, defienden el organismo de los microbios que
los invaden y también algunas hormonas son proteínas.
Los aminoácidos son los componentes básicos de las
proteínas. Todos los aminoácidos tienen un grupo amino
( NH2) en un extremo y un grupo carboxilo ( COOH)
en el otro. Cada uno de los 20 aminoácidos que existen
tiene una cadena lateral diferente (grupo R) (Figura
2.13a anexo B). Los enlaces covalente que unen los
aminoácidos para formar moléculas más complejas se
denominan enlaces peptídicos (Figura 2.13b anexo B).
La unión de dos o más aminoácidos produce un
péptido. Cuando dos aminoácidos se combinan, la
molécula se denomina dipéptido (Figura 2.13b anexo
B). Si se le agrega otro aminoácido al dipéptido se
produce un tripéptido. Un polipéptido contiene un gran
número de aminoácidos. Las proteínas son polipéptidos
que contienen entre 50 y 2000 aminoácidos. Como
variación en el número y en la secuencia de los
aminoácidos produce una proteína diferente, existe una
gran variedad de proteínas. La situación se asemeja al
uso de un alfabeto de 20 letras para formar palabras.
Cada letra sería equivalente a un aminoácido y cada
palabra sería una proteína diferente.
Una alteración en la secuencia de aminoácidos puede
tener graves consecuencias. Por ejemplo, la situación de
un solo aminoácido en la hemoglobina, una proteína de la
sangre, puede generar una deformación de la molécula
que causa una enfermedad llamada anemia de células
falciformes.
Una proteína puede tener un solo polipéptido o
numerosos polipéptidos entrelazados. Cierto tipo de
proteínas tienen una forma tridimensional única
determinada por la forma en que cada polipéptido se
enrolla y se pliega a medida que se unen los polipéptidos.
Si una proteína encuentra un ambiente hostil en cuanto a
temperatura, pH o la concentración iónica está alterada
de manera significativa, puede desenrollarse y perder su
forma característica. Este proceso se denomina
desnaturalización. Las proteínas desnaturalizadas dejan
de ser funcionales. Un ejemplo habitual de
desnaturalización se observa cuando se fríe un huevo. En
un huevo crudo, la clara es un líquido claro y viscoso y l
proteína que la forma (albúmina) es soluble. Sin
embargo, cuando el huevo se cocina la albúmina se
desnaturaliza; cambia su forma, su color pasa a ser
blanco y es insoluble.
Enzimas
Como ya se mencionó, las reacciones químicas se
producen cuando se crean o destruyen enlaces químicos a
medida que los átomos, iones o moléculas colisionan
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unas con otras. A la temperatura normal del cuerpo, tales
colisiones ocurren con demasiada poca frecuencia como
para mantener la vida. Las enzimas son la solución de las
células vivas para este problema, ya que aceleran las
reacciones químicas mediante el aumento de la
frecuencia de colisiones y la orientación apropiada de las
moléculas que deben colisionar. Las sustancias como las
enzimas que pueden acelerar las reacciones químicas sin
sufrir alteraciones en sí mismas se denominan
catalizadores. En las células vivas la mayoría de las
enzimas son proteínas. Los nombres de las enzimas
suelen terminar en –asa. Todas las enzimas pueden
agruparse de acuerdo con los tipos de reacciones
químicas que catalizan. Por ejemplo, las oxidasas
adicionan oxígeno, las cinasas agregan fosfato, las
deshidrogenasas eliminan hidrógeno, las anhidrasas
eliminan agua, las ATPasas desdoblan el ATP, las
proteasas degradan proteínas y las lipasas degradan
lípidos.
Las enzimas catalizan reacciones específicas con gran
eficiencia y con numerosos controles incorporados. Tres
propiedades importantes de las enzimas son su
especificidad, su eficiencia y su control.
1. Especificidad. Las enzimas son sumamente
específicas. Cada enzima cataliza una reacción
química determinada que involucra a un sustrato
específico, las moléculas sobre la que actúa la
enzima, y que genera productos específicos, las
moléculas producidas por esta reacción. En algunos
casos, la enzima “encaja” en el sustrato como una
llave en una cerradura. En otros, la enzima modifica
su forma para amoldarse al sustrato una vez que éste
y la enzima se unen. Cada una de las más de 1000
enzimas que se conocen en el cuerpo humano tiene
una forma tridimensional característica con una
configuración específica de su superficie que le
permite unirse a sustratos específicos.
2. Eficiencia. En condiciones óptimas, las enzimas
pueden catalizar reacciones a velocidades que son
millones o miles de millones de veces más rápidas
que lo que serían si no estuvieran presentes. Una
única molécula de enzima puede convertir moléculas
de sustrato en moléculas de producto a una velocidad
de 600000 por segundo.
3. Control. Las enzimas están sujetas a una variedad de
controles celulares. Su velocidad de síntesis y su
concentración en determinado momento están bajo el
control de los genes celulares. Ciertas sustancias
presentes en las células también pueden aumentar o
inhibir la actividad de una enzima. Muchas de ellas
existen dentro de la célula tanto en su forma activa
como inactiva. La velocidad a la que la forma
inactiva se transforma en activa o viceversa está
determinada por el entorno químico intracelular.
Muchas enzimas requieren una sustancia no proteica,
conocida como cofactor o coenzima para operar en
forma apropiada. Iones de hierro, cinc, magnesio o
calcio son cofactores; la niacina o la riboflavina,
derivados de la vitamina B, actúan como coenzimas.
En la Figura 2.14 del anexo B, se muestran las
acciones de una enzima.
Los sustratos se unen al sitio activo de la molécula
enzimática, la parte específica de la enzima que
cataliza la reacción, y forma un compuesto
temporario denominado complejo enzima-sustrato.
En esta reacción, los sustratos son la sacarosa, un
disacárido, y una molécula de agua.
Las moléculas de sustrato se transforman mediante el
reordenamiento de sus átomos, su fragmentación o la
combinación de muchas de ellas en productos de la
reacción. Aquí los productos son dos monosacáridos:
glucosa y fructosa.
Una vez completa la reacción y luego de que los
productos de la reacción se separan de la enzima, la
enzima inalterada queda libre para unirse a otra
molécula de sustrato.
Las deficiencias enzimáticas pueden generar ciertas
enfermedades. Por ejemplo, algunas personas no
producen suficiente cantidad de lactasa, una enzima que
degrada el disacárido lactosa, en dos monosacáridos,
glucosa y galactosa. Esta deficiencia causa un trastorno
denominado intolerancia a la lactosa, en el cual la
lactosa no digerida retiene agua en las heces y la
fermentación de este azúcar por las bacterias intestinales
produce gases. Los síntomas de la intolerancia a la
lactosa son diarrea, meteorismo, distensión abdominal y
dolor intestinal de tipo cólico, luego del consumo de
leche y otros productos lácteos. La intensidad de los
síntomas varía desde formas leves hasta cuadros de
gravedad suficientes para requerir atención médica. Las
personas que padecen esta intolerancia pueden tomar
suplementos dietéticos que contengan la enzima para
ayudar a la digestión de la lactosa.
Ácidos nucleicos: ácido desoxirribonucleico (ADN)
y ácido ribonucleico (ARN)
Los ácidos nucleicos, denominados así porque el
primer lugar en el que se los identificó fue el núcleo de
las células, son moléculas orgánicas de gran tamaño que
contienen carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y
fósforo. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ácido
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desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico
(ARN).
Una molécula de ácido nucleico está formada por
monómeros que se repiten denominados nucleótidos.
Cada nucleótido de ADN consta de tres partes (Figura
2.15a anexo B):
Una de las cuatro bases nitrogenadas, moléculas con
forma de anillo que contienen átomos de C, H, O y N.
Un monosacárido de cinco carbonos denominado
desoxirribosa.
Un grupo fosfato (PO43-
).
En el ADN, las cuatro bases son adenina (A), timina
(T), citosina (C) y guanina (G). En la Figura 2.15b
anexo B se muestra las siguientes características
estructurales de la molécula de DNA:
1. La molécula consta de dos cadenas unidas por
puentes, las cuales se enroscan entre sí y forman una
doble hélice cuya forma semeja una escalera en
espiral.
2. Los lados (cadenas) de la escalera de ADN constan de
grupos fosfato que alteran con las porciones de
desoxirribosa de los nucleótidos.
3. Los peldaños de la escalera contienen pares de bases
nitrogenadas, que se mantienen unidas por puentes de
hidrógeno. La adenina siempre se une a la timina y la
citosina siempre lo hace a la guanina.
Alrededor de 1000 peldaños de ADN comprenden un
gen, la porción de la cadena que lleva a cabo una función
específica; por ejemplo, proporcionar instrucciones para
la síntesis de insulina, una hormona. Los seres humanos
poseen cerca de 30000 genes, los cuales determinan cada
uno de los rasgos que se heredan y controlan todas las
actividades que tienen lugar en las células durante la
vida. Cualquier modificación que se produzca en la
secuencia de bases nitrogenadas de un gen se denomina
mutación. Algunas mutaciones pueden dar como
resultado la muerte de una célula, causar cáncer o
producir defectos genéticos en las futuras generaciones.
El ARN, el segundo tipo de ácido nucleico, se copia a
partir del ADN pero difiere de él en muchos aspectos. El
ADN tiene dos cadenas, el ARN una sola. El azúcar
presente en el nucleótido de ARN es la ribosa y además,
el ARN contiene una base nitrogenada llamada uracilo
(U) en lugar de timina. Las células contienen tres clases
diferentes de ARN: el ARN mensajero, el ARN
ribosómico y el ARN de transferencia. Cada uno
desempeña un papel específico para transmitir las
instrucciones codificadas en el ADN.
Adenosintrifosfato
El adenosintrifosfato o ATP es la “moneda de
cambio” de energía de los organismos vivos. Como ya se
mencionó en este documento, el ATP transfiere energía
desde las reacciones que mantiene las actividades
celulares que liberan energía a las que la requieren. Entre
esas actividades se encuentran la contracción muscular,
los movimientos de los cromosomas durante el proceso
de división celular, la movilización de las estructuras
intracelulares, el transporte de sustancias a través de la
membrana celular y la síntesis de moléculas de gran
tamaño a partir de otras más pequeñas.
Desde el punto de vista estructural, el ATP consta de
tres grupos fosfato unidos a la adenosina, que está
compuesta por adenosina y ribosa (Figura 2.16 anexo
B). La reacción de transferencia de energía se produce
mediante hidrólisis: la eliminación del último grupo
fosfato (PO43-
), que se representará a partir de aquí con el
símbolo, libera energía por el agregado de una
molécula de agua y produce una molécula denominada
adenosindifosfato (ADP). A la enzima que cataliza la
hidrólisis de ATP se la llama ATPasa. Esta reacción se
representa así:
Como se observa a partir de esta reacción, para
producir ATP se requiere energía. La energía necesaria
para unir es proporcional en su mayor parte por la
degradación de la glucosa en un proceso denominado
respiración celular.
Preguntas de Revisión
1. ¿En qué se diferencian los compuestos
inorgánicos de los orgánicos?
2. ¿Qué funciones cumple el agua en el cuerpo?
3. Explique las diferencias entre grasas saturadas,
monoinsaturadas y poliinsaturadas.
4. ¿Cuáles son las propiedades fundamentales de
las enzimas?
5. ¿En qué se diferencian el ADN y el ARN?
6. ¿Por qué es importante el ATP?
ATPasa
ATP + H2O + E Ádenosín- agua Grupo Energía
trifosfato fosfato
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ANEXO A
GUÍA DE ESTUDIO
Introducción a la Química
1. La Química es la ciencia que estudia la estructura y las interacciones de la materia, que es aquello que ocupa un
espacio y tiene una masa. La materia está formada por elementos químicos.
2. Los elementos oxígeno (O), carbono (C), hidrógeno (H) y nitrógeno (N) forman el 96% de la masa corporal.
3. Cada elemento está integrado por unidades denominadas átomos, que tienen un núcleo con protones y neutrones,
mientras que los electrones giran alrededor de él en regiones denominadas niveles de energía. En un átomo, el
número de electrones es igual al número de protones.
4. El número atómico (es decir, el número de protones) distingue los átomos de un elementos de los de otro elemento.
5. El número de masa de un átomo es la suma total de sus protones y neutrones.
6. Un átomo que gana o cede electrones se convierte en un ión: un átomo con carga positiva o negativa debido al
número desigual de protones y electrones.
7. Una molécula es una sustancia que consta de dos o más átomos químicamente combinados. La fórmula molecular
indica la cantidad y el tipo de átomos con los que está formada la molécula.
8. Un compuesto es una sustancia que puede dividirse en dos o más elementos diferentes por medios químicos
comunes.
9. Un radical libre es un átomo o una molécula destructivos, eléctricamente cargados con un electrón no apareado en su
nivel de energía más externo.
10. Los enlaces químicos mantienen unidos a los átomos de una molécula.
11. Los electrones del nivel de valencia (el más externo) son las partes del átomo que participan en las reacciones
químicas.
12. Cuando los electrones del nivel de valencia se transfieren de un átomo a otro se generan iones, cuyas cargas
opuestas se atraen entre sí y forman enlaces iónicos. Los iones con carga positiva se denominan cationes y los que
tienen carga negativa son aniones.
13. En un enlace covalente, dos átomos comparten parte de electrones de valencia.
14. Los puentes de hidrógeno son enlaces débiles que unen el hidrógeno con ciertos átomos dentro de moléculas
complejas de gran tamaño, como las proteínas y los ácidos nucleicos. Ayudan a determinar la forma tridimensional
de la molécula y le otorgan fuerza y estabilidad.
15. La energía es la capacidad de realizar trabajo. La energía potencial es la que se encuentra almacenada en la materia
debido a su posición. La energía cinética es la que tiene la materia en movimiento y la energía química es una forma
de energía potencial almacenada en los enlaces de las moléculas.
16. En las reacciones químicas, la destrucción de enlaces antiguos requiere energía y la formación de nuevos enlaces
libera energía.
17. En una reacción de síntesis (anabólica), dos o más átomos, iones o moléculas se combinan para formar una molécula
nueva y de mayor tamaño. En una reacción de degradación (catabólica), una molécula se divide en moléculas, iones
o átomos más pequeños.
18. Cuando los nutrientes, como la glucosa, se dividen mediante reacciones de degradación, una parte de la energía
liberada se almacena en forma temporaria en el adenosintrifosfato (ATP) y luego se la utiliza para llevar a cabo
reacciones de síntesis que requieren energía, para formar estructuras corporales como músculos y huesos.
19. Las reacciones de intercambio son una combinación de reacciones de síntesis con reacciones de degradación. Las
reacciones reversibles pueden llevarse a cabo en ambos sentidos, según las circunstancias.
Compuestos Químicos y Procesos Vitales
1. Los compuestos inorgánicos suelen tener estructuras simples y carecen de carbono. Las sustancias orgánicas siempre
contienen carbono, suelen tener hidrógeno y siempre se unen mediante enlaces covalentes.
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FUNDAMENTOS DE ANATOMÍA Y FISIOLOGÍA
13 DOCUMENTO CON FINES DOCENTES
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2. El agua es la sustancia más abundante del cuerpo. Es un solvente excelente, participa en las reacciones químicas,
absorbe y libera calor en forma lenta, requiere mucho calor para pasar del estado líquido al gaseoso y actúa como
lubricante.
3. Los ácidos, las bases y las sales inorgánicas se disocian en iones (se ionizan) en el agua. Un ácido se ioniza en iones
hidrógeno (H+) y una base, por lo general, se ioniza en iones hidróxido (OH
-). Una sal no se ioniza en H
+ ni en OH
-.
4. El pH de los líquidos corporales debe permanecer casi constante para que el cuerpo mantenga la homeostasis. En la
escala de pH, el 7 representa la neutralidad. Los valores por debajo de 7 indican soluciones ácidas y los valores
superiores a 7 indican soluciones alcalinas.
5. Los sistemas de amortiguación o buffers ayudan a mantener el pH al convertir ácidos o bases fuertes en ácidos o
bases débiles.
6. Los hidratos de carbono incluyen los azúcares, el glucógeno y el almidón. Pueden ser monosacáridos, disacáridos o
polisacáridos. Proporcionan la mayor parte de la energía química necesaria para producir ATP. Los hidratos de
carbono y otras moléculas orgánicas de gran tamaño se sintetizan a través de reacciones de síntesis por
deshidratación, en las que se pierde una molécula de agua. En el proceso inverso, denominado hidrólisis, moléculas
grandes se degradan en otras más pequeñas mediante la adición de agua.
7. Los lípidos son un grupo variado de compuestos que incluyen los triglicéridos (grasas y aceites), los fosfolípidos y
los esteroides. Los triglicéridos protegen, aíslan, proporcionan energía y se almacenan en el tejido adiposo. Los
fosfolípidos son componentes importantes de la membrana celular y los esteroides se sintetizan a partir del
colesterol.
8. Las proteínas se forman a partir de los aminoácidos. Le dan estructura al cuerpo, regulan procesos, suministran
protección, participan en la contracción muscular, transportan sustancias y actúan como enzimas.
9. Las enzimas son moléculas, por lo general proteínas, que aceleran las reacciones químicas y están sujetas a diversos
controles celulares.
10. El ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN) son ácidos nucleicos compuestos por bases
nitrogenadas, un azúcar de cinco carbonos y grupo fosfato. El ADN es una doble hélice y representa la sustancia
química fundamental en los genes. El ARN difiere del ADN en su estructura y composición química; su principal
función es transmitir las instrucciones codificadas en el ADN.
11. El adenosintrifosfato (ATP) es la principal molécula de transferencia de energía en los sistemas vivos. Cuando
transfiere energía, el ATP se degrada por hidrólisis a adenosindifosfato (ADP) y. El ATP se sintetiza a partir de
ADP y mediante el uso de energía suministrada por la degradación de la glucosa.
ANEXO B
VIDA SANA
SUPLEMENTOS A BASE DE HIERBAS
SON NATURALES PERO…
¿SON SEGUROS?
La venta de suplementos a base de hierbas está en auge. En toda América del Norte, se encuentran en los botiquines
médicos preparaciones de ginseng y echinacea junto a frascos con vitamina C y aspirina. Pero, ¡cuidado!: aunque algunos
suplementos a base de hierbas son útiles para problemas específicos, otros son una pérdida de dinero y muchos de ellos
pueden poner en peligro la salud.
¿Natural significa seguro?
Los suplementos a base de hierbas son preparaciones hechas con las hojas, las flores, la corteza, las bayas o las raíces de
ciertas plantas. Estas preparaciones fueron utilizadas en todas las épocas por diferentes culturas en todo el mundo para
aliviar el dolor, cicatrizar heridas, alejar los malos espíritus y aun para matar. Muchos de los ingredientes activos de los
fármacos actuales se aislaron de hierban en sus orígenes. Por ejemplo, la digital, un medicamento utilizado para el
tratamiento de las enfermedades cardíacas, proviene de una planta llamada dedalera. Cualquier persona que tenga nociones
de química puede comprender por qué “natural” no siempre significa “seguro.” Los agentes químicos de origen natural no
dejan de ser químicos. Participan en las reacciones químicas del cuerpo humano y logran sus efectos del mismo modo que
lo hacen los medicamentos fabricados en laboratorios. Los productos a base de hierbas no pueden ser eficaces e inocuos al
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mismo tiempo porque cualquier cosa que logre un efecto fisiológico puede ser perjudicial en la misma medida. Todos los
fármacos pueden ser tóxicos si se ingieren en exceso.
Tómelo con cuidado
Si usted desea consumir suplementos a base de hierbas, debe analizarlo con detenimiento. En la mayoría de los países, la
regulación de estos suplementos es bastante laxa, por lo tanto, no se debe confiar en lo que dicen los fabricantes en las
etiquetas o en los prospectos. Un producto que parece demasiado bueno para ser verdadero debe tomarse con precaución.
Los profesionales sanitarios están muy preocupados acerca de la falta de información sobre la seguridad a largo plazo de
muchos de estos productos. Los científicos recién están comenzando a investigar el uso de las hierbas y sus conocimientos
sobre estos remedios son todavía muy escasos.
Consulte a su Médico
Si decide tomar suplementos naturistas por alguna dolencia, consulte a su médico para asegurarse de que no está dejando
de lado algún tratamiento médico beneficioso. Si consume algún medicamento, consulte con el farmacéutico sobre las
posibles interacciones entre los suplementos y los fármacos con los que está medicado. Por ejemplo, es peligroso tomar
gingko biloba y aspirina juntos porque ambos tienen efectos importantes sobre la sangre que pueden generar hemorragias.
Las mujeres embarazadas, las que desean embarazarse o las que están amamantando deben evitar los suplementos de la
misma forma que evitan tomar otros fármacos.
Para Pensar…
Su tía le cuenta que está tomando un suplemento a base de hierba para adelgazar. “Es natural, así que es
seguro,” dice. En realidad, no está teniendo tan buenos resultados como hace dos semanas, así que ahora duplicó la
dosis recomendada. ¿Qué le respondería a su tía?
CUADRO 2.1 Principales Elementos Químicos del Cuerpo Humano
Elementos principales
(símbolo)
% de la masa
Corporal Total
Importancia ELEMENTOS PRINCIPALES
Oxígeno (O)
Carbono (C)
Hidrógeno (H)
Nitrógeno (N)
65
18,5
9,5
3,2
Forma parte del agua y de múltiples moléculas orgánicas (que
contienen carbono); se utilizan para generar ATP, una molécula
que utilizan las células como depósito temporario de energía
química. Forma el esqueleto de las cadenas y anillos de todas las moléculas
orgánicas: hidrato de carbono, lípidos (grasas), proteínas y ácidos
nucleicos (ADN y ARN). Forma parte del agua y de la mayoría de las moléculas orgánicas;
su forma ionizada (H+) hace más ácidos los líquidos corporales.
Es un componente de todas las proteínas y ácidos nucleicos.
ELEMENTOS MENORES
Calcio (Ca)
Fósforo (P)
Potasio (K)
Azufre (S) Sodio (Na)
1,5
1
0,35
0,25 0,2
Contribuye a endurecer los huesos y los dientes; su forma ionizada
(Ca2+
) es necesaria para la coagulación sanguínea, la liberación de
algunas hormonas, la contracción muscular y muchos otros
procesos. Es un componente de los ácidos nucleicos y el ATP; es necesario
para la estructura normal de huesos y dientes. Su forma ionizada (K
+) es el catión (partícula con carga positiva)
más abundante del líquido intracelular; es necesario para generar
potenciales de acción. Es un componente de algunas vitaminas y de muchas proteínas. Su forma ionizada (Na
+) es el catión más abundante del líquido
extracelular, es esencial para mantener el equilibrio hídrico;
necesario para generar potenciales de acción.
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Cloro (Cl)
Magnesio (Mg)
Hierro (Fe)
0,2
0,1
0,005
Su forma ionizada (Cl-) es el anión (partícula con carga negativa)
más abundante del líquido extracelular; es esencial para mantener
el equilibrio hídrico. Su forma ionizada (Mg
2+) es necesaria para la acción de numerosas
enzimas, moléculas que aumentan la velocidad de las reacciones
en los organismos.
Sus formas ionizadas (Fe2+
y Fe3+
) forman parte de la hemoglobina
(proteína transportadora de oxígeno en los glóbulos rojos) y de
algunas enzimas (proteínas que catalizan las reacciones químicas
en las células vivas). OLIGOELEMENTOS
0,2
Aluminio (Al), boro (B), cromo (Cr), cobalto (Co), cobre (Cu),
flúor (F), yodo (I), manganeso (Mn), molibdeno (Mo), selenio
(Se), silicio (Si), estaño (Sn), vanadio (V) y cinc (Zn). Figura 2.1 Dos Representaciones de la Estructura de un átomo. Los electrones se mueven alrededor del núcleo, que
contiene protones y neutrones. (a) En el
modelo de nube de electrones de un átomo,
el sombreado representa la posibilidad de
hallar un electrón en las regiones adyacentes
al núcleo. (b) En el modelo de niveles de
energía, los círculos oscuros representan
electrones aislados que se agrupan en órbitas
concéntricas según el nivel que ocupan.
Ambos modelos describen un átomo de
carbono, con seis neutrones y seis
electrones.
El átomo es la unidad de materia más
pequeña que conserva las propiedades y
características de un elemento. Figura 2.2 Estructura de Ciertos
Átomos que desempeñan un papel
importante en el cuerpo humano. Los
átomos de distintos elementos tienen
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diferentes números atómicos porque tienen distinto número de protones.
2.3 Molécula. Una molécula puede estar
formada por dos o más átomos del mismo
elemento o dos o más átomos de diferentes
elementos. 2.4. Iones y formación de enlaces iónicos. (a)
Un átomo de sodio puede mantener la
estabilidad de los ocho electrones de su nivel de
energía más externo al perder su único electrón
de valencia; entonces se convierte en un ión de
sodio, Na+. (b) Un átomo de cloro puede
mantener la estabilidad de ocho electrones en su
nivel de valencia por la ganancia de un electrón y
entonces se transforma en un ión cloro, (Cl-). (c) En el
compuesto iónico denominado cloruro de sodio, (NaCl),
mantiene unidos a los iones Na+ y Cl
-. Los electrones
cedidos y ganados están coloreados con color rojo.
Un enlace iónico es la fuerza de atracción que
mantiene unidos a dos iones de carga opuestas.
2.5 Formación de Enlaces Covalentes. Los electrones
representados en color rojo se comparten equivalente en
(a)-(d) y desigual en (e). En las columnas de la derecha
se muestran las formas más simples de representar estas
moléculas. En una formula estructural, cada enlace
covalente se denota mediante una línea recta que une los
símbolos químicos de dos átomos. En una fórmula
molecular, el número de átomos de cada molécula se
muestra mediante un subíndice.
En un enlace covalente, dos átomos comparten uno,
dos o tres pares de electrones de valencia.
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2.6 Ácidos, bases y sales. (a) Cuando se lo coloca en agua el ácido clorhídrico (HCl) se ioniza o disocia en H+ y Cl
-. (b)
Cuando el hidróxido de potasio, una base, se
disuelve en agua, se ioniza en OH- y K
+. (c)
Cuando el cloruro de potasio (KCl), una sal, se
coloca en agua, se disocia en iones positivos y
negativos (CL- y K
+) y ninguno de ellos es H
+ o
OH-.
La ionización es la separación de los ácidos,
bases y sales en iones dentro de una solución.
2.7 Escala del pH. Un pH menor de 7 indica que
la solución es ácida o que tiene más H+ que OH
-.
Cuanto menor sea el valor de pH, más ácida será
la solución ya que la concentración de H+
aumenta en forma progresiva. Un pH mayor que
7 indica que la solución es básica (alcalina), es
decir que hay más OH- que H
+. Cuando mayor será el valor de pH, más básica será la solución.
A pH 7 (neutro) las concentraciones de H+ y OH
- son iguales.
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Cuadro 2.2 Valores de pH de algunas sustancias
Sustancia * Valor de pH
Jugo gástrico (jugo digestivo del estómago) 1,2 - 3
Jugo de limón 2,3
Vinagre, vino, jugo de uva 3
Bebida carbonatada (gaseosa) 3 – 3,5
Jugo de naranja 3,5
Secreción vaginal 3,5 – 4,5
Jugo de tomate 4,2
Café 5
Orina 4,6 – 8
Saliva 6,35 – 6,85
Leche 6,8
Agua destilada (pura) 7
Sangre 7,35 – 7,45
Semen (líquido que contiene espermatozoides) 7,2 – 7,6
Líquido cefalorraquídeo (líquido que rodea al
sistema nervioso central)
7,4
Jugo pancreático (jugo digestivo del páncreas 7,1 – 8,2
Bilis (secreción hepática que interviene en la
digestión de las grasas)
7,6 – 8,6
Leche de magnesia 10,5
Lejía (hidróxido de sodio) 14
* Las sustancias presentes en el cuerpo humano se resaltan en amarillo intenso.
Figura 2.8 Síntesis por deshidratación e
hidrólisis de una molécula de sacarosa. En
las reacciones de síntesis por deshidratación
(léase de izquierda a derecha) dos moléculas
pequeñas, glucosa y fructosa, se unen para
formar una molécula de sacarosa, de mayor
tamaño. Nótese la pérdida de una molécula
de agua. En la reacción de hidrólisis (léase de
derecha a izquierda), la molécula de sacarosa,
más grande, se divide en dos moléculas más pequeñas, glucosa y
fructosa. Aquí, para que se produzca esta reacción se agrega una
molécula de agua a la sacarosa.
Los monosacáridos son los monómeros que se utilizan para sintetizar
hidratos de carbono.
Figura 2.9 Parte de una molécula de glucógeno, el principal
polisacárido del cuerpo humano.
El glucógeno se forma a partir de monómeros de glucosa y es el modo
de almacenamiento de los hidratos de carbono en el cuerpo humano.
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2.10 Los triglicéridos están formados por ácidos grasos a un esqueleto de glicerol. Los ácidos grasos varían en su
longitud y en la cantidad y
localización de los enlaces dobles
entre átomos de carbono (C=C).
Aquí se muestra una molécula de
triglicéridos que contiene dos
ácidos grasos saturados y un
ácido graso monoinsaturado.
Un triglicérido está formado
por dos tipos de monómeros: una
molécula de glicerol única y tres
moléculas de ácidos grasos.
2.11 Fosfolípidos. (a) En la
síntesis de los fosfolípidos, dos
ácidos grasos se unen en los dos
primeros carbonos del esqueleto de
glicerol. Un grupo fosfato une un
pequeño grupo con carga eléctrica al
tercer carbono del glicerol. En (b), el
círculo representa la cabeza polar y las
dos líneas curvas representan las colas
no polares.
Los fosfolípidos son los principales
lípidos presentes en las membranas
celulares.
2.12 Esteroides. Todos los esteroides
tienen cuatro átomos de carbono.
El colesterol es el precursor para la
síntesis de los otros esteroides.
2.13 Aminoácidos. (a) Como su nombre
lo indica, los aminoácidos tienen un grupo
amino (representado en color azul) y un
grupo carboxilo (ácido) (de color rojo). La
cadena lateral (grupo R), de color amarillo,
es diferente en cada aminoácido. (b) Cuando
dos aminoácidos se unen químicamente a
través de una reacción de síntesis por
deshidratación (léase de izquierda a derecha),
el enlace covalente resultante se denomina
enlace peptídico. Este tipo de enlace se
forma al mismo tiempo que se elimina agua.
Aquí, los aminoácidos glicina y alanina se
unen para formar un dipéptido, la
glicilalanina. La rotura de un enlace peptídico se produce por hidrólisis (léase de derecha a izquierda)
Los aminoácidos son los monómeros de las proteínas.
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2.14 Como funciona una enzima.
Las enzimas aceleran las reacciones
químicas sin experimentar modificaciones
ni consumirse.
2.15 Molécula de ADN. (a) Un nucleótido está formado por una base
nitrogenada, un azúcar de cinco carbonos y un grupo fosfato. (b) Los pares
de bases nitrogenadas se proyectan hacia el centro de la doble hélice. Los
puentes de hidrógeno (líneas punteadas) que unen cada par de bases
estabilizan la estructura. Hay dos puentes de hidrógeno entre la adenina y
la timina y tres enlaces la citosina y la guanina.
Los nucleótidos son los monómeros de los
ácidos nucleicos.
2.16 Estructura del ATP y del ADP. Los dos
enlaces fosfato que pueden utilizarse para
transferir energía se indican en color rojo. La
transferencia de energía por lo general involucra
la hidrólisis del último enlace fosfato del ATP.
El ATP transfiere energía química para impulsar
las actividades celulares.