¿De qué estamos hechos? ¿De qué está hecho todo lo que nos rodea? Puedes pensar que estas preguntas son fáciles de responder. Sin embargo, si reflexionas un poco, te darás cuenta de que es difícil encontrar una respuesta concreta. Algunos dirán que la materia está compuesta por átomos, otros dirán que las partículas subatómicas son las partículas básicas de la materia y otros discutirán que las partículas elementales —es decir, los componentes de las partículas subatómicas— son el eslabón más pequeño que construye todo. Puede, incluso, que haya gente que discuta que el continuo espacio y tiempo son la base sobre la que se construye la materia.
En biología, el punto de partida para describir la materia suele ser el átomo y las partículas subatómicas que lo componen. Estas partículas subatómicas determinan las propiedades de los átomos de los distintos elementos químicos que forman la materia viva y materia no viva. Como veremos a continuación, la materia viva está formada por un selecto grupo de elementos químicos con propiedades concretas que permiten el desarrollo de la vida, tal y como la conocemos. Entre estos, el carbono es el más importante.
¿Qué es la base molecular y fisicoquímica de la vida?
Toda la materia conocida en el universo está formada por un número limitado de elementos químicos (tipos de átomos).
Los elementos adquieren sus propiedades únicas gracias al número de partículas subatómicas que contienen los átomos que los constituyen. Las partículas subatómicas son tres:
- Los protones y neutrones en el núcleo del átomo (su centro)
- Los electrones que orbitan alrededor del núcleo.
Los protones son unidades de materia con carga positiva, los neutrones no tienen carga y los electrones tienen carga negativa. Los protones tienen aproximadamente la misma masa que los neutrones, mientras que la masa de los electrones es insignificante.
Fig. 1- Estructura de un átomo.
Elemento químico: es cualquier materia que no puede descomponerse en formas más pequeñas y discretas mediante una reacción química.
Los elementos suelen estar equilibrados y sin carga, con igual número de protones y electrones. Sin embargo, existen otras formas de elementos. Entre ellas están los iones y los isótopos, que se distinguen por poseer números desiguales de protones, neutrones y electrones.
- Los isótopos son elementos con diferente número de neutrones y protones.
- Los iones son elementos con un número desigual de protones y electrones y, por tanto,no son electroquímicamente neutros —es decir, tienen carga—.
Existen 92 elementos naturales y 26 elementos artificiales. Estos elementos se representan en la tabla periódica.
Tanto la materia viva como la materia no viva está constituida por este mismo grupo de 92 elementos. No existe ningún elemento que sea exclusivo de la materia viva. Sin embargo, hay ciertos elementos que son esenciales para toda vida, otros que no son esenciales para la vida de todos los seres vivos y otros que simplemente no forman parte de la materia viva.
Fig. 2- La tabla periódica de los elementos.
Es importante tener en cuenta que la materia muerta no es un sinónimo de la materia no viva. La materia muerta es un tipo de materia viva, que no cumple los criterios para la vida, pero cuya constitución molecular la clasifica como materia viva. Por ejemplo, un filete de carne es materia viva, a pesar de ya no tener vida.
Después de este repaso a los constituyentes básicos de la materia viva, te estarás preguntando cuál es la respuesta a la pregunta que encabeza esta sección.
La base molecular y fisicoquímica de la vida es, simplemente, el conjunto de elementos básicos, sus propiedades e interacciones que determinan las características físicas y químicas de la materia viva y los seres vivos.
Niveles de organización de los seres vivos
La interacción y agregación de los elementos da lugar a estructuras que, a su vez, abren espacio a otras estructuras. De esta manera se crean estructuras cada vez más complejas. A estos distintos niveles de organización estructural que se pueden encontrar en la materia viva se les denomina niveles de organización de los seres vivos.
Los niveles de organización de los seres vivos, de más simple a más complejo, son los siguientes:
- Partículas elementales
- Partículas subatómicas
- Átomos
- Moléculas
- Macromoléculas
- Complejos supramoleculares
- Orgánulos
- Células
- Tejidos
- Órganos
- Sistemas
- Individuos
- Población
- Comunidad
- Ecosistema
- Biósfera
Dentro de estos niveles, el celular es el nivel más simple de la vida. Por tanto, se distinguen dos tipos de niveles:
- Los niveles 1 al 7 son abióticos (sin vida).
- Los niveles 8 a 16 son bióticos (con vida).
Composición química de los seres vivos
Los elementos presentes en los seres vivos se denominan bioelementos. Las propiedades y abundancia específicas de los distintos bioelementos en los seres vivos permiten formar estructuras más complejas que denominamos moléculas. A diferencia de los bioelementos, algunas de las moléculas que forman parte de los seres vivos, conocidas como biomoléculas, son exclusivas de la materia viva. De hecho, se distinguen dos tipos de biomoléculas: orgánicas e inorgánicas.
A continuación describimos en más detalle los bioelementos y las biomoléculas.
Los bioelementos como base molecular y fisicoquímica de la vida
Los bioelementos son los elementos químicos que forman parte de la materia viva.
De acuerdo a la abundancia de los bioelementos en la materia viva, estos se clasifican en:
- Bioelementos primarios: son los elementos más comunes. El carbono, el oxígeno o el nitrógeno son ejemplos de bioelementos primarios.
- Bioelementos secundarios: son elementos que se encuentran en menor proporción. El calcio, el potasio o el magnesio son ejemplos de bioelementos secundarios.
- Oligoelementos: son elementos que se encuentran en una mínima proporción y no en toda la materia viva. El silicio, el cobre o el níquel son ejemplos de oligoelementos.
Entre los bioelementos primarios cabe destacar el carbono. ¿Por qué destacar el carbono entre otros elementos? Porque es tan importante que divide la química en dos grandes grupos: la química orgánica (la química de los compuestos que contienen carbono) y la química inorgánica (la química de los compuestos sin carbono).
La importancia del carbono se debe a las siguientes propiedades químicas:
- Puede formar hasta cuatro enlaces covalentes con otros elementos, por lo que hace parte de grandes compuestos químicos, como las biomoléculas.
- Suele ser electroquímicamente estable, lo que le permite que las estructuras moleculares adopten formas y conformaciones diferentes, como anillos, ramas o cadenas.
El carbono es el principal contribuyente y forma la columna vertebral de las cuatro principales biomoléculas: los glúcidos, las proteínas, los lípidos y los ácidos nucleicos.
Biomoléculas orgánicas e inorgánicas
Las biomoléculas son moléculas construidas a partir de bioelementos.
Las biomoléculas se clasifican en:
- Biomoléculas orgánicas: su estructura básica está compuesta de carbono y son exclusivas de los seres vivos.
- Biomoléculas inorgánicas: su estructura básica no se basa en el carbono y no son exclusivas de los seres vivos.
Los cuatro tipos de biomoléculas orgánicas son:
Las biomoléculas inorgánicas más importantes para los seres vivos son:
- El agua
- Las sales minerales, como el cloruro de sodio o el carbonato de calcio.
- Moléculas gaseosas, como el O2 o el CO2.
Si quieres saber más sobre las biomoléculas orgánicas e inorgánicas, lee nuestras explicaciones sobre cada una de las biomoléculas.
Enlaces químicos
Los átomos de los distintos elementos son capaces de unirse a través de enlaces químicos para formar estructuras más complejas, como las biomoléculas.
Los enlaces químicos son las uniones entre átomos.
Los enlaces químicos entre los átomos de las biomoléculas orgánicas e inorgánicas también determinan las propiedades de la biomolécula. Se pueden clasificar en:
- Enlaces intramoleculares: son enlaces fuertes que implican un cambio químico, es decir, la creación de una nueva biomolécula.
- Enlaces intermoleculares: son enlaces débiles que no implican un cambio químico en las biomoléculas que intervienen.
Los principales enlaces intramoleculares son:
- El enlace iónico
- El enlace covalente
Los principales enlaces intermoleculares son:
- Los enlaces de hidrogeno
- Las fuerzas de Van de Waals.
A continuación describimos en más detalle los distintos tipos de enlaces químicos.
Enlace iónico
Un enlace iónico se produce cuando un compuesto dona o transfiere sus electrones a otro compuesto, generando iones con cargas opuestas que quedan unidos mediante fuerzas electroestáticas. Los enlaces iónicos suelen producirse entre un metal (como el sodio, Na) y un no metal (como el cloro, Cl).
Fig. 3- Enlace iónico.
Enlace covalente
En un enlace covalente no se produce una transferencia de electrones, sino que los electrones se comparten. Para crear un enlace covalente se comparten electrones entre átomos o compuestos no metálicos.
Enlaces covalentes polares
Los enlaces covalentes polares son aquellos que se producen cuando los electrones se comparten, pero no por igual, por lo que la molécula tiene un extremo con carga negativa y otro con carga positiva.
Enlaces covalentes no polares
Los enlaces covalentes no polares son aquellos en los que los electrones se comparten en partes iguales
Enlaces de hidrógeno
Un enlace de hidrógeno es un tipo de interacción débil, que ocurre entre moléculas formadas por un átomo de hidrógeno y un átomo de oxígeno, nitrógeno o flúor. El hidrógeno forma enlaces covalentes polares con cualquiera de los otros átomos, y la distribución desigual de los electrones hace que las moléculas tengan una zona de carga positiva (el hidrógeno) y otra de carga negativa. Por tanto, la zona de carga positiva puede interaccionar con la zona de carga negativa de otra molécula, creando un enlace de hidrógeno.
Fig. 4- Enlaces covalentes polares del amoníaco.
Fuerzas de Van der Waals
Las fuerzas de Van der Waals son interacciones débiles entre átomos o moléculas, debidas a distribuciones desiguales de electrones. Estas distribuciones pueden dar lugar a zonas transitorias de cargas negativas y positivas que permiten a las moléculas interaccionar entre sí.
Base molecular y fisicoquímica de la vida - Puntos clave
- Toda la materia conocida en el universo está formada por un número limitado de elementos químicos (tipos de átomos).
- Los elementos adquieren sus propiedades únicas gracias al número de partículas subatómicas que contienen los átomos que los constituyen.
- Hay ciertos elementos que son esenciales para la vida (bioelementos), otros que no son esenciales para la vida de todos los seres vivos y otros que simplemente no forman parte de la materia viva.
- A los distintos niveles de organización estructural que se pueden encontrar en la materia viva se les denomina niveles de organización de los seres vivos (los niveles más bajos son abióticos (o sin vida) y los más complejos, bióticos (o con vida).
- Los bioelementos son los elementos químicos que forman parte de la materia viva. Existen diferentes tipos de bioelementos (primarios, secundarios, y oligoelementos), dependiendo de su importancia para los seres vivos.
- Las biomoléculas son moléculas construidas a partir de bioelementos. Las biomoléculas orgánicas son exclusivas de los seres vivos y el carbono forma su columna vertebral. Las biomoléculas inorgánicas no son exclusivas de los seres vivos y su química no depende del carbono.
- Existen distintos enlaces químicos en las biomoléculas: enlaces intramoleculares (como los enlaces covalentes e iónicos) y enlaces intermoleculares (como los enlaces de hidrógeno y las fuerzas de Van der Waals).
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