Biology capitulo2- El contexto químico de la vida

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BiologyEighth Edition

Neil Campbell and Jane Reece

Lectures by Chris Romero, updated by Erin Barley with contributions from Joan Sharp

Capítulo 2Capítulo 2

El contexto químico de la vida

Al final del capítulo debes saber:

1.

Identificar los 4 elementos principales

2.

Distinguir entre los siguientes pares de términos: neutrón y protón, número atómico y masa, peso atómico y masa

3.

Distinguir entre y discutir la importancia biológica de: enlaces covalentes no-

polares, enlaces covalentes polares, enlaces iónicos, enlaces de hidrogeno, e interacciones de Van der

Waals

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Panorama: Una conexión química hacia la biología

• La biología es una ciencia multidisciplinaría

• Los organismos están sujetos a las leyes básicas de la química y la física

• Un ejemplo es como las hormigas usan el ácido fórmico para mantener los que se llaman los �“jardines del diablo�”

compuestos por árboles de Duroia


Fig. 2-1

Fig. 2-2EXPERIMENT

RESULTS

Cedrelasapling

Duroiatree Inside,

unprotected Inside,protected

Devil’sgarden

Outside,unprotected

Outside,protected

Insectbarrier

Dea

d le

af ti

ssue

(cm

2 )af

ter o

ne d

ay

Inside,unprotected

Inside,protected

Outside,unprotected

Outside,protected

Cedrela saplings, inside and outside devil’s gardens

0

4

8

12

16

Fig. 2-2a

Cedrelasapling

Duroiatree Inside,

unprotected

Devil’sgarden

Inside,protected

Insectbarrier

Outside,unprotected

Outside,protected

EXPERIMENT

Fig. 2-2b

Dea

d le

af ti

ssue

(cm

2 )af

ter o

ne d

ay16

12

8

4

0Inside,

unprotectedInside,

protectedOutside,

unprotectedOutside,protected

Cedrela saplings, inside and outside devil’s gardens

RESULTS

Concepto 2.1: La materia consiste de elementos químicos en forma pura o combinados, lo cual llamamos compuestos

• Los organismos están compuestos de materia

• La materia es aquello que ocupa espacio y tiene


Elementos y compuestos

�•

Materia está

hecha de elementos

�•

Un elemento es una

sustancia que a través de reacciones químicas no puede romperse en otra sustancia

�•

Un compuesto es una sustancia que consiste en una proporción dada de dos o más elementos

�•

Un compuesto tiene características diferentes a sus elementos


Fig. 2-3

Sodium Chlorine Sodiumchloride

Los elementos esenciales de la vida

�•

25 de 92 elementos son esenciales para la vida

�•

Carbono, hidrogeno, oxigeno, y nitrógeno forman el 96% de la materia viva

�•

La mayoría de los que componen el 4% restante consisten de calcio, fósforo, potasio, y azufre

�•

Elementos traza (secundarios) son aquellos que el organismo necesita en pequeñas cantidades


Table 2-1

(a) Nitrogen deficiency

Fig. 2-4

(b) Iodine deficiency

Concepto 2.2: Las propiedades en un elemento dependen de la estructura de sus átomos

�•

Cada elemento consiste de átomos únicos

�•

Un átomo es la unidad más pequeña que aún posee las propiedades de un elemento


Partículas Subatómicas

�•

Átomos están compuestos de partículas subatómicas

�•

Partículas subatómicas relevantes incluyen:

– Neutrones (no tienen carga eléctrica)

– Protones (carga positiva)

– Electrones (carga negativa)


• Neutrones y protones forman el núcleo atómico

• Electrones forman una nube alrededor del núcleo

• La masa de un neutrón y un protón es casi idéntica y se mide en daltons


Cloud of negativecharge (2 electrons)

Fig. 2-5

Nucleus

Electrons

(b)(a)

Número atómico y número de masa

�•

Los átomos de los diferentes elementos varían en el número de partículas subatómicas

�•

El número atómico de un elemento es el numero de protones en su núcleo

�•

El

número de masa de un elemento es la suma de los

protones más los neutrones en el

núcleo

�•

Masa atómica, la masa total del átomo, puede ser aproximada por el número de masa


Isótopos

�•

Todos los átomos de un elemento tienen el mismo número de protones pero pueden diferir en el número de neutrones

�•

Isótopos son dos átomos de un elemento que difieren en su número de neutrones

�•

Isótopos radioactivos al descomponerse espontáneamente dan partículas y energía


�•

En las investigaciones biológicas algunos isótopos radioactivos tienen aplicaciones:

– Determinar la edad de fósiles

– Trazar la ruta de átomos en procesos metabólicos

– Diagnosticar condiciones medicas


Fig. 2-6TECHNIQUE

RESULTS

Compounds includingradioactive tracer(bright blue)

Incubators1 2 3

4 5 6

7 8 9

10rC 15rC 20rC

25rC 30rC 35rC

40rC 45rC 50rC

1

2

3

Human cells

Humancells areincubatedwith compounds used tomake DNA. One compound islabeled with 3H.

The cells areplaced in testtubes; their DNA isisolated; andunused labeledcompounds areremoved.

DNA (old and new)

The test tubes are placed in a scintillation counter.

Cou

nts

per m

inut

e(

1,00

0)

Optimumtemperaturefor DNAsynthesis

Temperature (ºC)

0

10

10

20

20

30

30 40 50

Fig. 2-6a

Compounds includingradioactive tracer(bright blue)

Human cells

Incubators1 2 3

4 5 6

7 8 950ºC45ºC40ºC

25ºC 30ºC 35ºC

15ºC 20ºC10ºC

Humancells areincubatedwith compounds used tomake DNA. One compound islabeled with 3H.

1

2 The cells areplaced in testtubes; their DNA isisolated; andunused labeledcompounds areremoved.

DNA (old and new)

TECHNIQUE

Fig. 2-6b

TECHNIQUE

The test tubes are placed in a scintillation counter.3

Fig. 2-6c

RESULTSC

ount

s pe

r min

ute

(1,

000)

010 20 30 40 50

10

20

30

Temperature (ºC)

Optimumtemperaturefor DNAsynthesis

Fig. 2-7

Cancerousthroattissue

Niveles de energía de los electrones

• Energía es la capacidad de causar cambio

• Energía potencial es la energía que tiene la materia por su posición y estructura

• Los electrones de un átomo difieren su cantidad de energía potencial

• El estado de energía potencial de un electrón se llama su nivel de energía (electron shell = capas de electrones)


Eliezer Rovira

Fig. 2-8

(a) A ball bouncing down a flightof stairs provides an analogyfor energy levels of electrons

Third shell (highest energylevel)

Second shell (higherenergy level)

Energyabsorbed

First shell (lowest energylevel)

Atomicnucleus

(b)

Energylost

Distribución de electrones y propiedades químicas

�•

El comportamiento químico de un átomo está determinado por la distribución de electrones

en sus capas de electrones

• La tabla periódica de los elementos muestra la distribución para cada elemento


Fig. 2-9

Hydrogen1H

Lithium3Li

Beryllium4Be

Boron5B

Carbon6C

Nitrogen7N

Oxygen8O

Fluorine9F

Neon10Ne

Helium2He

Atomic number

Element symbolElectron-distributiondiagram

Atomic mass

2He

4.00Firstshell

Secondshell

Thirdshell

Sodium11Na

Magnesium12Mg

Aluminum13Al

Silicon14Si

Phosphorus15P

Sulfur16S

Chlorine17Cl

Argon18Ar

�•

Electrones de valencia son aquellos que están en la capa más externa (capa de valencia)

�•

El comportamiento químico de un átomo está mayormente determinado por los electrones de

valencia

�•

Los elementos con un capa de valencia completa son químicamente inertes


Concepto 2.3: La formación y función de las moléculas depende del enlace químico entre átomos

�•

Átomos con capas de valencia incompletas pueden compartir o transferir electrones de valencia con ciertos átomos

�•

Estas interacciones usualmente resultarán en átomos que se mantienen cerca, unidos por atracciones que llamamos enlaces químicos


Enlaces covalentes

�•

Un enlace covalente consiste en compartir un par de electrones de valencia

�•

En un enlace covalente, los electrones compartidos se cuentan como parte de la capa valencia de cada átomo


Fig. 2-11 Hydrogenatoms (2 H)

Hydrogenmolecule (H2 )

�•

Una molécula consiste de 2 o más átomos unidos por enlaces covalentes

�•

Un enlace covalente simple (enlace sencillo) es el compartir un par de electrones de valencia

�•

Un enlace covalente doble (enlace doble)

es el compartir dos pares de electrones de valencia


�•

La forma en que utilizamos para representar los átomos enlazados es la formula estructural

– Por ejemplo, H�–H

�•

Esto puede abreviado usando la fórmula molecular

– Por ejemplo, H2

Animation: Covalent BondsAnimation: Covalent Bonds


Fig. 2-12a

(a) Hydrogen (H2 )

Name andMolecularFormula

Electron-distribution

Diagram

Lewis DotStructure and

StructuralFormula

Space-fillingModel

Fig. 2-12b

(b) Oxygen (O2 )



Diagram


StructuralFormula

Space-fillingModel

Fig. 2-12c

(c) Water (H2 O)



Diagram


StructuralFormula

Space-fillingModel

Fig. 2-12d

(d) Methane (CH4 )



Diagram


StructuralFormula

Space-fillingModel

�•

Los enlaces covalentes se pueden formar entre átomos del mismo elemento o de elementos diferentes

�•

Un compuesto es una combinación de dos o más elementos diferentes

�•

La capacidad de formación de enlaces se llama la valencia del átomo


�•

Electronegatividad es la atracción de un átomo por los electrones en el enlace

covalente

�•

Mientras más electronegativo un átomo es, con mayor fuerza halara los electrones hacia este


�•

En un enlace covalente no-polar, los átomos comparten los electrones equitativamente

�•

En un enlace covalente polar, uno de los átomos es más electronegativo, entonces los átomos no comparten los electrones equitativamente

�•

El compartir no equitativamente los electrones causa para cada átomo (o molécula) cargas positivas o negativas


Fig. 2-13

–

+ +H H

O

H2 O

Enlaces iónicos

�•

Los átomos algunas veces le quitan electrones a los compañeros de enlace

�•

Un ejemplo es la transferencia de un electrón del sodio al cloro

�•

Luego de la transferencia del electrón, ambos átomos tendrán carga

�•

Un átomo (o molécula) con carga se llama un ion


Fig. 2-14-1

Na Cl

NaSodium atom Chlorine atom

Cl

Fig. 2-14-2

Na Cl Na Cl

NaSodium atom Chlorine atom

Cl Na+

Sodium ion(a cation)

Cl–Chloride ion

(an anion)

Sodium chloride (NaCl)

�•

Un catión es un ión con carga positiva

�•

Un anión es un ión con carga

negativa

�•

Un enlace iónico es la atracción entre un anión y un catión

Animation: Ionic BondsAnimation: Ionic Bonds


�•

Los compuestos formados por enlaces iónicos se llaman compuestos iónicos, o sales

�•

Sales, como el cloruro de sodio (sal de mesa) en el ambiente usualmente se encuentran como cristales


Fig. 2-15

Na+

Cl–

Enlaces químicos débiles

�•

La mayoría de los enlaces más fuertes en los organismos son enlaces covalentes y estos forman las moléculas de las células

�•

Enlaces químicos débiles, como los iónicos y los de hidrógeno, son también importantes

�•

Enlaces químicos débiles refuerzan la forma de las moléculas de gran tamaño y ayudan a que las moléculas se peguen


Enlaces de hidrógeno

�•

Un enlace de hidrógeno se forma cuando un átomo de hidrógeno tiene un enlace covalente con un átomo electronegativo y es atraído por otro átomo electronegativo

�•

En células vivas usualmente las parejas electronegativas son átomos de oxigeno o nitrógeno


Fig. 2-16+

+

+

+

+

Water (H2 O)

Ammonia (NH3 )

Hydrogen bond

Interacciones Van der Waals

�•

Si los electrones están distribuidos asimétricamente en moléculas o átomos, estos pueden formar �“hot spots�”

de cargas positivas

o negativas

�•

Interacciones Van der Waals son atracciones entre moléculas que están juntas debido a estas cargas


�•Colectivamente esas interacciones pueden ser fuertes, por ejemplo las moléculas entre los pelos de los dedos de una �“salamandra�”

(gecko) y la

superficie de una pared


�•

Las moléculas biológicas se reconocen e interactúan entre ellas por su forma

�•

Las moléculas que tienen forma similar pueden tener efectos similares


Fig. 2-18

(a) Structures of endorphin and morphine

(b) Binding to endorphin receptors

Naturalendorphin

Endorphinreceptors

Morphine

Brain cell

Morphine

Natural endorphin

KeyCarbonHydrogen

NitrogenSulfurOxygen

Concepto 2.4: Las reacciones químicas forman y rompen los enlaces

�•

Las reacciones químicas son las que forman y rompen los enlaces

�•

Las moléculas con las que comienza una reacción química se llaman los reactivos

�•

Las moléculas finales de una reacción química se llaman los productos


Fig. 2-UN2

Reactants Reaction Products

2 H2 O2 2 H2 O

�•La fotosíntesis es una reacción química importante

�•La luz solar promueve la conversión de bióxido de carbono y agua a glucosa y oxígeno 6 CO2

+ 6 H2

0 C6

H12

O6

+ 6 O2


Fig. 2-UN9

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