capÍtulo 2 quÍmica bÁsica

TORTORA-DERRICKSON

INTRODUCCIÓN AL CUERPO HUMANO

FUNDAMENTOS DE ANATOMÍA Y FISIOLOGÍA

1 DOCUMENTO CON FINES DOCENTES

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

TORTORA-DERRICKSON





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

TORTORA-DERRICKSON





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

TORTORA-DERRICKSON





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

TORTORA-DERRICKSON





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

TORTORA-DERRICKSON





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.

TORTORA-DERRICKSON





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.

capÍtulo 2 quÍmica bÁsica

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