el átomo

Átomo
Biología
La estructura química fundamental de la materia: el átomo
Los seres vivos también están constituidos por átomos
Toda la materia que podemos ver en el Universo, incluida la que forma los seres vivos, está constituida por átomos. Unos
cuantos átomos, de todos los que existen en la naturaleza reúnen unas características que han posibilitado, mediante su
combinación e interacción, formar innumerables compuestos que constituyen la esencia de la estructura y actividad de las
diferentes formas de vida que hoy conocemos. Sabemos que el átomo es la unidad estructural que justifica la química de
cualquier sistema, así pues, conocer la estructura del átomo se hace indispensable de cara a analizar tanto las estructuras
como las innumerables reacciones químicas que constituyen los sistemas vivos.
Los átomos: su estructura justifica su interacción química y todas las propiedades
que explican su comportamiento en la materia.
De todos los elementos químicos que se han encontrado como
constituyentes de la materia son seis de ellos los que han sido capaces de
agruparse y formar combinaciones que constituyen prácticamente el 99% de toda
la materia de los seres vivos: Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O), Nitrógeno
(N), Fósforo (P) y Azufre (S). Por tanto, estos seis tipos de átomos han sido
capaces de llegar a un grado tal de compleja organización que les hace ser,
prácticamente, los responsables últimos de todos los procesos químicos que
constituyen la “vida”.
Además de estos seis elementos mencionados, existen algunos otros
bioelementos que aparecen y son imprescindibles en todas las formas de vida
conocidas (Na, K, Ca, Mg y Cl) y que constituyen prácticamente el 1% restante.
Por otra parte, existen algunos elementos más (Fe, Cu, Zn, Mn, I, Ni, Si, F, ...) que
desempeñan funciones esenciales en los procesos bioquímicos, pero que se
encuentran en cantidades muy bajas (trazas). De esos últimos algunos están
presentes en todos los seres vivos, pero otros aparecen sólo en algunos.
1
Materia:
Todo aquello que tiene una
masa y ocupa un espacio.
Elemento químico:
Sustancias puras
compuestas por un único
tipo de átomos y que no
pueden descomponerse en
variedades más simples de
materia.
Átomos:
la partícula más pequeña
de un elemento que
conserva las propiedades
de ese elemento. Son las
unidades estructurales
básicas constituyentes de
toda la materia
Autora: Mercedes de la Fuente
UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA
Átomo
Biología
La estructura química fundamental de la materia: el átomo
Los seres vivos también están constituidos por átomos
El conocimiento de la estructura del átomo se
hace imprescindible, ya que en ella reside la esencia
del comportamiento químico de toda la materia.
En el átomo podemos encontrar dos zonas:
- El núcleo: región cuya principal característica es
que presenta carga eléctrica positiva. En él
encontramos dos tipos de partículas: protones y
neutrones.
- Región externa al núcleo donde encontramos los
electrones (con carga eléctrica negativa).
Figura 1. Imagen adaptada de The Particles Adventure:
Fundamental Particles and Interactions, 2006; Particle Data Group
del Lawrence Berkeley National Laboratory (EEUU)
http://www.cpepweb.org/particles.html
De las tres partículas subatómicas mencionadas,
a los electrones se les considera partículas
fundamentales. No es así a los protones y a los
neutrones, ya que actualmente se sabe que, a su vez,
están formados por otras partículas, que sí se
consideran fundamentales y que se han denominado
quarks. Por tanto, podemos decir que toda la
materia visible del universo, incluyendo la de los
seres vivos está formada por unas partículas
fundamentales denominadas quarks y electrones.
Desde un punto de vista químico, las propiedades de un átomo se pueden
describir en función del número de protones, neutrones y electrones. Por tanto,
para avanzar en nuestro conocimiento de la estructura química del átomo nos
quedamos con:
- los protones, que son partículas subatómicas situados en el núcleo
atómico, que tienen carga eléctrica positiva (+1) y que a su vez están
constituidas por unas partículas fundamentales que se han denominado
quarks.
- los neutrones, partículas subatómicas también situadas en el núcleo
atómico, sin carga, y de masa similar a la de los protones. También están
constituidas por quarks y, por último,
- los electrones, partículas fundamentales que se sitúan alrededor del núcleo
y tienen carga negativa (-1).
En un átomo neutro, el número de protones debe ser igual al número de
electrones
La carga eléctrica de los protones y los electrones es igual y de signo contrario.
Se ha fijado como unidad de carga la carga de un protón o de un electrón. Por
tanto decimos que sus cargas son, respectivamente, +1 y -1.
Resulta obvio que, en un átomo neutro, el número de electrones debe ser igual
al número de protones.
Lo que determina el tipo de átomo es el número de protones
Cada uno de los diferentes elementos químicos está constituido por un único
tipo de átomo. El tipo de átomo viene determinado por el número de protones que
haya en su núcleo. Así por ejemplo, los átomos con un protón son los átomos de
hidrógeno; con dos protones, los átomos de Helio; con tres protones, los átomos de
Litio, etc.
Al número de protones que un átomo tenga en su núcleo es a lo que
denominamos número atómico (Z).
2
Núcleo atómico:
Región del átomo, con
carga positiva, formada por
protones y neutrones
Electrones:
Partícula fundamental
subatómica, con carga
negativa (-1).
Protones:
Constituyentes del núcleo
atómico, con carga positiva
(+1), formados por quarks.
Neutrones:
Constituyentes del núcleo
atómico, con carga neutra,
formados por quarks.
Quarks:
Partícula fundamental
subatómica. Podemos
encontrar 6 tipos de
quarks. Combinaciones de
dos de ellos (quarks up y
quarks down) son los que
forman los protones y los
neutrones.
Unidad de carga:
La carga que posee un
electrón, que es igual y de
signo contrario a la de un
protón
Autora: Mercedes de la Fuente
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Átomo
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La estructura química fundamental de la materia: el átomo
Los seres vivos también están constituidos por átomos
La masa atómica y el número másico
Las masas de los átomos se han establecido de forma
relativa: se comprobó, por ej. , que el átomo más ligero era el H, y
que el átomo de carbono, C, pesaba aproximadamente 12 veces
más que el átomo de H, el átomo de oxígeno 16 veces más, etc.
Para establecer las masa atómicas relativas de todos los átomos
se decidió tomar como referencia el átomo de carbono-12 (12C),
asignándole una masa de valor 12 unidades. A estas unidades es
a lo que se denominó unidades de masa atómica (uma).
Figura 2. Esquema de la representación que
caracteriza a un átomo (ejemplo: átomo de
carbono-12). (En muchas ocasiones se suprime
de la representación el número atómico, ya que
este ya está implícito en el símbolo del elemento
Así, actualmente decimos que: el átomo de C tiene una masa
de 12 uma (aprox.); el H 1 uma (aprox.), el oxígeno 16 uma
(aprox.), etc. En bioquímica se suele usar como unidades de masa
atómica el Dalton (D): 1 Dalton = 1 uma.
Prácticamente toda la masa de un átomo está concentrada en ese
pequeñísimo espacio que ocupa el núcleo atómico. Se ha podido comprobar que
las masas de los protones y de los neutrones, que son prácticamente iguales entre
sí, son, a la vez, del orden de 1840 veces superiores a la masa del electrón.
Además sabemos, que en nuestra escala relativa de masas, el átomo de 1H (con 1
protón y ningún neutrón en su núcleo) tiene 1 uma (1 Dalton) de masa: es decir, la
masa de 1 protón será aproximadamente 1 uma. Luego, con estos datos (masa de
protones y neutrones aproximadamente igual y ambas próximas a la unidad de
masa atómica) podemos concluir que la masa de un átomo será prácticamente
igual a la suma del número de protones y de neutrones que lo compongan.
A la suma del número de protones y de neutrones es a lo que denominamos
número másico (A).
Diferente número de neutrones determina la presencia de diferentes isótopos
dentro de un mismo tipo de átomos
Los neutrones son partículas sin carga, pero, como acabamos de ver, su masa
es similar a la del protón. En muchos de los diferentes elementos químicos existen
átomos que presentan diferente número de neutrones en su núcleo. Es decir,
existen átomos que aun siendo del mismo tipo (igual número de protones o
número atómico) tienen diferente número de neutrones. Esto implica que existirán,
dentro de ese elemento, átomos cuya masa sea ligeramente diferente, y que
denominamos isótopos. Así, por ejemplo: para el átomo de hidrógeno se han
encontrado tres isótopos distintos:
. el más abundante en la naturaleza (el que no presenta ningún neutrón): 1H,
. además existen átomos de H con 1 neutrón: 2H (deuterio), y
. átomos con dos neutrones: 3H (tritio).
Teniendo en cuenta la presencia de isótopos, la masa atómica de un
elemento será la masa atómica ponderada de los diferentes isótopos, medida en
unidades de masa atómica (uma ó D).
Por ejemplo: existen tres isótopos para el carbono. Sus abundancias relativas
son 98,892% para 12C, 1,108% para 13C y una cantidad despreciable de 14C. La
masa atómica del carbono será por tanto:
MAC = (0,98892) x (12 uma) + (0,01108) x (13,00335 uma) = 12,011 uma
3
Número atómico (Z):
Número de protones
presente en los núcleos de
los átomos de un
determinado elemento. Lo
representamos con la letra
Z.
Número másico (A):
Suma del número de
protones (Z) y del número
de neutrones (N) presente
en los núcleos de un
determinado átomo. Lo
representamos con la letra
A.
Masa atómica relativa:
Masa de un átomo de un
elemento, referida a la del
12
C (=12 uma), expresada
en unidades de masa
atómica.
Unidad de masa atómica
(uma) (igual a Dalton):
La doceava parte de la
masa del átomo de
12
carbono-12 ( C).
Isótopos:
Átomos con igual número
de protones (por tanto del
mismo tipo) pero con
diferente número de
neutrones (igual número
atómico, pero diferente
número másico).
Masa atómica de un
elemento:
Masa atómica ponderada
de los diferentes isótopos
que existen en ese
elemento.
Autora: Mercedes de la Fuente
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Átomo
Biología
La estructura química fundamental de la materia: el átomo
Los seres vivos también están constituidos por átomos
Interacciones entre átomos: moléculas e iones
Enlace covalente
Unión entre dos átomos
compartiendo un par o más
de electrones
Los átomos, las unidades estructurales químicas que forman la materia, muy
raras veces los encontraremos solos. Por el contrario: tratarán de agruparse
formando moléculas u otros tipos de agregados. Como resultado de estas
Enlace iónico
interacciones, los átomos comparten o intercambian sus electrones:
Unión entre dos átomos,
- Si dos átomos comparten 2, 4 o 6 electrones, como resultado de esta
uno de ellos capta un
interacción se forma un enlace entre ambos átomos (sencillo, doble o
electrón (elevada
triple, respectivamente) que denominados enlace covalente.
electronegatividad) desde
otro átomo que lo cede
- Si uno de los dos átomos tiene mucha avidez por los electrones (carácter
(baja electronegatividad)
fuertemente electronegativo) y el otro, por el contrario tiene mucha
facilidad para cederlos (muy baja electronegatividad), en lugar de Moléculas
compartir los electrones se da un intercambio: un átomo capta un electrón
Unidades discretas de
átomos, unidas de forma
de otro que se lo cede. Como resultado de este tipo de interacción
covalente
decimos que se ha formado un enlace iónico entre ambos.
En medio de estos dos casos extremos existe todo una gradación. Desde el Compuestos iónicos:
reparto de los electrones al 50% entre los dos átomos enlazados (enlace covalente
Formados por átomos
unidos mediante enlaces
puro), hasta el intercambio total de electrones (enlace iónico), todas las
iónicos. En disolución
situaciones de reparto no equitativo de los electrones son posibles: es decir, los
acuosa se disocian en sus
electrones son compartidos, pero la carga recae más parcialmente en uno de los
iones
dos átomos del enlace que en el otro (enlace covalente con cierta polaridad).
De las formas de agrupación entre átomos que Biomoléculas
Moléculas constituyentes
encontramos en la materia biológica, la más frecuente y
de la materia biológica.
fundamental son las moléculas: combinaciones de
Son moléculas orgánicas.
átomos, enlazados de forma covalente, y que forman
unidades discretas (ej: H2O, O2, glucosa, etc…). A las Moléculas orgánicas
Figura 3. Estructura de una
Moléculas en cuya
moléculas específicas de la materia biológica las
molécula de agua (H2O)
composición interviene el
denominamos biomoléculas. Debemos destacar la
carbono y están
importancia del carbono, integrante común a todas ellas,
relacionadas con la materia
biológica.
átomo cuyas propiedades han permitido la gran variedad
de estos compuestos biológicos, circunstancia que ha
Iones
hecho posible la existencia de la vida.
Partícula con exceso de
Por otra parte, también van a ser de gran
carga positiva o negativa
importancia en los sistemas biológicos la presencia de
sales. Estas sales son compuestos iónicos, Cationes
Iones en los que el exceso
caracterizados por ser agregados de átomos unidos por
de carga es positiva
enlaces iónicos, es decir: habrá átomos que hayan
(defecto de electrones)
cedido uno o más de sus electrones y otro u otros que
los hayan captado. Estos agregados no forman unidades Aniones
Iones en los que el exceso
Figura 4. Estructura de la discretas, como era el caso de las moléculas, sino redes
de carga es negativa
forma cristalina del Cloruro continuas en las que se van alternando los iones que
(exceso de electrones)
sódico
forman el compuesto.
Estas sales, cuando se disuelven en agua, se disocian en los iones que las Enlace de Hidrógeno
Interacción entre un átomo
constituyen. Por ejemplo: cuando se disuelve NaCl (cloruro sódico) en agua
de hidrógeno y un átomo
+
encontraremos en la disolución iones positivos (cationes) Na e iones negativos
muy electronegativo y
pequeño. El átomo de
(aniones) Cl- solvatados (rodeados por moléculas de agua).
hidrógeno debe, por otra
La existencia de iones en los seres vivos resulta esencial para el
parte, estar también unido
mantenimiento tanto de estructuras como de determinadas funciones asociadas a
covalentemente a un
éstas. Entre los iones más frecuentes hallados en los seres vivos nos encontramos
átomo muy electronegativo
+
+
2+
2+
(Cl, N, O).
con Na , K , Cl , Mg , Ca , HCO3 , H2PO4 .
Otras interacciones de especial interés en el mantenimiento de las estructuras y en prácticamente
todos los procesos bioquímicos que tienen lugar en los seres vivos son los enlaces de Hidrógeno. Estos
pueden darse dentro de una misma molécula (intramoleculares) o entre dos moléculas diferentes
(intermoleculares). Se trata de interacciones más débiles y caracterizadas por la unión de un átomo de H, a
otro átomo muy electronegativo y pequeño. El átomo de hidrógeno tiene que estar enlazado covalentemente
a un átomo muy electronegativo (en moléculas biológicas: Cl, N, O).
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Autora: Mercedes de la Fuente
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Hechos destacables y otras curiosidades...
Isótopos menos abundantes e isótopos radiactivos
El hecho de que las propiedades químicas de los isótopos de un mismo elemento sean las mismas
(igual numero atómico, igual número de electrones) hace que, desde un punto de vista químico, unos
puedan ser sustituidos por otros sin alterar las propiedades de los sistemas en los que intervienen.
Algunos isótopos, que poseen elevado número de neutrones en su núcleo, resultan inestables, por lo
que tienden a desintegrarse, transformándose en otros isótopos más estables, mediante la liberación de
partículas o radiaciones de alta energía. A estos isótopos se les denomina radioisótopos o isótopos
radiactivos. El ritmo de desintegración puede medirse: para cada isótopo existe un tiempo de vida media
(tiempo en que tarda una cantidad de isótopos en disminuir su número a la mitad). Las aplicaciones de
isótopos radiactivos en biología son muy variadas e interesantes (aunque en la medida que es posible se va
tratando de reemplazar la radiactividad por otras técnicas menos problemáticas). Entre las aplicaciones más
importantes podemos citar la datación de muestras de lo que algún día fueron organismos vivos mediante la
determinación de la cantidad de 14C que queda actualmente en el ejemplar, o el estudio de procesos
bioquímicos mediante la introducción de moléculas con un marcaje isotópico concreto, que permite su
seguimiento y detección en las rutas metabólicas. También se utilizan los isótopos radiactivos en medicina
nuclear, tanto para el seguimiento del modo de acción de medicamentos, la obtención de imágenes de
tejidos o células gracias a la incorporación de moléculas con isótopos radiactivos, o incluso con fines
terapéuticos, como es el caso de radioterapia con fósforo-32 (32P) o el tratamiento de hipertiroidismo con
131
I.
No sólo los isótopos radiactivos son de utilidad en biología. El enriquecimiento de muestras con los
isótopos estables menos abundantes de los átomos ha permitido resolver grandes enigmas de los
materiales biológicos. Un ejemplo de ello lo constituye el experimento de Meselson y Stahl, que permitió
establecer el carácter semiconservativo de la replicación del ADN mediante enriquecimiento de las
muestras con 15N, isótopo menos abundante que el 14N, pero más pesado.
Un ejercicio…
En una molécula…
a) los átomos de uno o varios elementos pueden estar unidos sólo mediante enlaces
covalente
b) los átomos de varios elementos pueden estar unidos sólo mediante enlaces iónicos
c) los átomos de uno o varios elementos pueden estar unidos por enlaces covalente y
enlaces de hidrógeno
d) los átomos de varios elementos pueden estar unidos por enlaces covalente y enlaces de
hidrógeno
Solución: Una molécula son unidades discretas de átomos de uno o varios elementos unidos por
enlaces covalentes. Por ejemplo: O2 (molécula de oxígeno), O3 (molécula de ozono), o C6H12O6 (formula
molecular de la molécula de glucosa). Dentro de una molécula pueden existir enlaces de hidrógeno entre
distintos átomos de la misma, siempre que en ésta existan átomos de hidrógeno unidos covalentemente
a otro átomo muy electronegativo (por ejemplo, Cl, O o N) y sea susceptible de interaccionar con otro
átomo electronegativo de la misma molécula. Estos enlaces de hidrógeno se dan con mucha frecuencia
en biomoléculas, como por ejemplo, en las proteínas. Cuando los átomos de varios elementos se unen
mediante enlaces iónicos, el resultado no son unidades discretas, como las moléculas, sino grandes
redes de iones interaccionando, como por ejemplo el caso del Cloruro sódico (NaCl).
Otro ejercicio + solución
El litio consta de dos isótopos estables 6Li (MA 6Li=6,015 D) y 7Li (MA 7Li=7,016 D), cuya
abundancia relativa es 7,59% y 92,41%, respectivamente. ¿Cuál es la masa atómica del Litio?
Solución: MA Li= 6,94 D
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Autora: Mercedes de la Fuente
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