Biology capitulo2- El contexto químico de la vida

Capítulo 2

El contexto químico de la
vida

PowerPoint® Lecture Presentations for

Biology
Eighth Edition
Neil Campbell and Jane Reece

Lectures by Chris Romero, updated by Erin Barley with contributions from Joan Sharp
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

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

Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings

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. 2-2
EXPERIMENT

Cedrela Insect
sapling barrier

Duroia Outside,
tree Inside, protected
unprotected Inside,
protected

Devil’s Outside,
garden unprotected

RESULTS
Dead leaf tissue (cm2)

16
after one day

12

8

4

0
Inside, Inside, Outside, Outside,
unprotected protected unprotected protected
Cedrela saplings, inside and outside devil’s gardens

Fig. 2-2a

EXPERIMENT

Cedrela Insect
sapling barrier

Duroia Outside,
tree Inside, protected
unprotected Inside,
protected

Devil’s Outside,
garden unprotected

Fig. 2-2b

RESULTS
Dead leaf tissue (cm2)

16
after one day

12

8

4

0
Inside, Inside, Outside, Outside,
unprotected protected unprotected protected
Cedrela saplings, inside and outside devil’s gardens

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 Sodium
chloride

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


Fig. 2-4

(a) Nitrogen deficiency (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


Fig. 2-5

Cloud of negative
charge (2 electrons) Electrons

Nucleus

(a) (b)

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. 2-6
TECHNIQUE

Compounds including Incubators
radioactive tracer 1 2 3
(bright blue)
10 C 15 C 20 C
Human cells 4 5 6
25 C 30 C 35 C
1 Human
cells are 7 8 9
incubated 40 C 45 C 50 C
with compounds used to
make DNA. One compound is
labeled with 3H.

2 The cells are DNA (old and new)
placed in test
tubes; their DNA is
isolated; and
unused labeled
compounds are
removed.

3 The test tubes are placed in a scintillation counter.

RESULTS

Optimum
Counts per minute

30 temperature
for DNA
( 1,000)

20 synthesis

10

0
10 20 30 40 50
Temperature (ºC)

Fig. 2-6a
TECHNIQUE

Compounds including Incubators
radioactive tracer 1 2 3
(bright blue) 10ºC 15ºC 20ºC

Human 4 5 6
cells
25ºC 30ºC 35ºC
1 Human
cells are 7 8 9
incubated 40ºC 45ºC 50ºC
with compounds used to
make DNA. One compound is
labeled with 3H.

2 The cells are DNA (old and new)
placed in test
tubes; their DNA is
isolated; and
unused labeled
compounds are
removed.

Fig. 2-6b

TECHNIQUE

3 The test tubes are placed in a scintillation counter.

Fig. 2-6c

RESULTS
Counts per minute

Optimum
30 temperature
( 1,000)

for DNA
20 synthesis

10

0
10 20 30 40 50
Temperature (ºC)

Fig. 2-7

Cancerous
throat
tissue

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)


Fig. 2-8
(a) A ball bouncing down a flight
of stairs provides an analogy
for energy levels of electrons

Third shell (highest energy
level)

Second shell (higher Energy
energy level) absorbed

First shell (lowest energy
level)
Energy
lost
Atomic
nucleus
(b)

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

Hydrogen 2 Atomic number Helium
1H He 2He
Atomic mass 4.00 Element symbol
First
shell Electron-
distribution
diagram

Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine Neon
3Li 4Be 5B 6C 7N 8O 9F 10Ne
Second
shell

Sodium Magnesium Aluminum Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon
11Na 12Mg 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18Ar
Third
shell

•• 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
Hydrogen
atoms (2 H)

Hydrogen
molecule (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 Bonds


Fig. 2-12a

Name and Electron- Lewis Dot Space-
Molecular distribution Structure and filling
Formula Diagram Structural Model
Formula

(a) Hydrogen (H2)

Fig. 2-12b

Formula

(b) Oxygen (O2)

Fig. 2-12c

Formula

(c) Water (H2O)

Fig. 2-12d

Formula

(d) Methane
(CH4)

•• 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

–

O

H H
+ +
H2O

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

Na Cl
Sodium atom Chlorine atom

Fig. 2-14-2

Na Cl Na Cl

Na Cl Na+ Cl–
Sodium atom Chlorine atom Sodium ion Chloride ion
(a cation) (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 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 (H2O)

+
Hydrogen bond

Ammonia (NH3)

+ +

+

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
Key
Carbon Nitrogen
Hydrogen Sulfur
Natural endorphin Oxygen
Morphine

(a) Structures of endorphin and morphine

Natural
endorphin Morphine

Endorphin
Brain cell receptors
(b) Binding to endorphin receptors

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

2 H2 O2 2 H2 O
Reactants Reaction Products

••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 H20 C6H12O6 + 6 O2


Biology capitulo2- El contexto químico de la vida

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