Biomoléculas (III).

Después de la última entrada sobre los glúcidos, hoy toca escribir sobre los lípidos. Aunque para la población general los lípidos son conocidos vulgarmente como grasas, este grupo abarca más tipos de moléculas que las que componen exclusivamente esa categoría vernácula y que son los ácidos grasos y triglicéridos. De hecho, los lípidos forman, normalmente, el 50% de la masa seca de cualquier célula y, por extensión, de cualquier ser vivo. Y no estoy hablando de las células de hombres blancos occidentales, cebados por nuestro estilo de vida facil, no, las de cualquier célula. Los lípidos son un componente estructural clave en los seres vivos y sin ellos la vida no existiría, por lo menos no tal como la conocemos, porque tienen una serie de características clave para comprender la aparición celular, como veremos en una entrega próxima, cuando termine la clasificación de las biomoléculas. Además, también existen lípidos con funciones fisiológicas muy importantes.

Los lípidos se agrupan en las siguientes categorías:
-Ácidos Grasos.
-Acilglicéridos.
-Derivados de Ácidos Grasos (sobre todo del ácido Araquidónico).
-Derivados del Isopreno (Isoprenoides).
-Fosfolípidos.
-Esfingolípidos.
-Ceras.
-Estéridos.

Ácidos Grasos.

Los ácidos grasos son, basicamente, una larga cadena hidrocarbonada con un grupo carboxilo (ácido orgánico) en un extremo. La cadena varía en longitud, normalmente tienen entre 12 y 24 átomos de carbono, y en ocasiones la cadena incluye dobles enlaces entre los átomos de carbono, denominados, en lípidos, insaturaciones, que tienen consecuencias funcionales sobre las que escribiré en otra ocasión. Normalmente, los ácidos grasos de células animales suelen tener mayor número medio de insaturaciones pero el número de ácidos grasos con insaturaciones es menor. En el caso de las células vegetales, las proporciones se invierten, lo que explica porque son más saludables, en general, las grasas vegetales (hablaré de la fisiología molecular de los lípidos cuando me refiera a las membranas biológicas). La longitud media de los ácidos de carbono es también diferente entre unas y otras células, siendo el rango más amplio, normalmente, en animales (o sea, entre 14 y 24) pero la longitud media es mayor en vegetales (entre 16 y 20). Las bacterias, en este aspecto, están un poco a medio camino.

Dos Ácidos Grasos de Cadena Larga: la insaturación en el C9 del oléico hace que la molécula se doble en el espacio*, con consecuencias posteriores para las membranas en las que se halle.

Acilglicéridos.

Los acilglicéridos son ésteres de ácidos grasos y glicerol. El glicerol es un alcohol de tres carbonos con tres grupos hidroxilo (alcohol). A través de esos grupos hidroxilo, une a los grupos carboxilo de los ácidos grasos en cualesquiera de sus tres posiciones (átomos de carbono) y forman los ésteres desprendiendo una molécula de agua por cada unión y quedando unidos entre sí los esqueletos carbonados por el átomo de oxígeno. Normalmente las uniones se producen primero en los extremos del glicerol (y ese será el carbono C1), ocupándose después el central (C2) y por último el carbono C3. En función del número de carbonos esterificados en la molécula, se habla de mono-, di- o triacilglicérido (o mono-, di- o triglicérido, como podéis haber oído por ahí). Es habitual que el carbono C2 esté ocupado por un ácido graso de cadena larga (18 o 20 carbonos, por ejemplo).

Glicerol y Triacilglicérido: las combinaciones entre el alcohol y los numerosísimos ácidos grasos hacen que éste sea un grupo muy plástico y variable.

Los triglicéridos son la forma habitual de almacenar ácidos grasos, ya sea con fines energéticos o estructurales. Es así como se almacenan en las células del tejido adiposo (esos michelines que tanto afean/joden) y cuando son necesarios, los enlaces éster son rotos mediante las enzimas apropiadas liberando los ácidos grasos y el glicerol para los diferentes fines.

Derivados de Ácidos Grasos (Eicosanoides).

El ácido Araquidónico es un ácido graso de cadena larga (20 carbonos) con cuatro insaturaciones (carbonos C5, C8, C11 y C14). En los animales, mediante rutas enzimáticas no muy complejas pero muy importantes, que implican enzimas ciclo-oxigenasas, origina tres clases de mediadores locales (mensajeros paracrinos, moléculas que actúan en la comunicación celular a un nivel local, sobre todo en vasos sanguíneos de ciertos órganos): las Prostaglandinas, los Tromboxanos y los Leucotrienos. Estas tres clases de mediadores locales son importantes en los procesos de inflamación y, por lo tanto, de respuesta inmune. Bastante para lo que sólo parecía ser un fabricante de lorzas, ¿no?

Derivados del Isopreno (Isoprenoides).

El isopreno es un hidrocarburo de cadena corta que polimeriza con mucha facilidad. Es la base de las gomas naturales (látex del árbol del caucho) y artificiales. Cuando polimerizan resultan también en diferentes tipos de moléculas, como los Terpenoides (compuestos aromáticos muy abundantes en plantas), Carotenoides (compuestos con hasta 40 átomos de carbono y de gran importancia por su comportamiento frente a la luz, como la Vitamina A y el Retinol, claves en el funcionamiento de la vista) o los Esteroides (como el Colesterol, cuya función también explicaré cuando me dedique a las membranas orgánicas, o las hormonas esteroideas: andrógenos, estrógenos, progestágenos, glucocorticoides y mineralocorticoides).

Isoprenoides: el beta-caroteno o vitamina A es un isoprenoide más sencillo que el Colesterol, lo que permite apreciar su naturaleza de polímero en las repeticiones de su estructura antisimétrica. Sin embargo, este último también es un polímero, aunque no lo parezca por su estructura de múltiples anillos. Las hormonas esteroideas y las sales biliares surgen a partir de modificaciones sencillas de esta estructura.

Fosfolípidos.

Antes expliqué los acilglicéridos y su estructura. Pues bien, los fosfolípidos tienen una estructura similar sólo que el C3 presenta una molécula de fosfato esterificando. El fosfato, además, esterifica por su otro extremo con diferentes tipos de moléculas, como alcoholes, aminas, aminoácidos u otros. Estos son los lípidos que forman la mayor parte de las membranas biológicas.

FosfatidilSerina: uno de los fosfolípidos más comunes de las membranas biológicas.

Esfingolípidos.

Los Esfingolípidos se forman por la unión de un ácido graso a una molécula de esfingosina (un aminoalcohol de cadena larga complejo). En este caso, el ácido graso une a la esfingosina a través de un enlace amino (con desprendimiento de una molécula de agua) en el carbono C2 de la esfingosina. En el carbono C1 (que porta el grupo hidroxilo/alcohol), se esterifica una molécula directamente o bien una de fosfato que, como en el caso de los fosfolípidos, puentea con su otro extremo diferentes tipos de moléculas.

Los esfingolípidos también forman parte de las membranas biológicas y por su estructura particular tienen propiedades que afectan al desarrollo local de la misma. Quedaos con esta idea, ya que los dominios locales de las membranas es algo fundamental para entender la biología celular.

Ceras.

Las ceras son ácidos grasos unidos a alcoholes de elevado peso molecular por enlace éster. Normalmente son productos de revestimiento de superficies de tejidos para protegerlos de la deshidratación o de otros fenómenos asociados al agua.

Estéridos.

Los estéridos no son un grupo per se sino una denominación genérica de los ésteres de ácidos grasos y colesterol que se forman en el organismo en diferentes circunstancias y que mencionaré en más profundidad cuando me refiera a las lipoproteinas.


Generalidades Clave de los Lípidos.

Una de las cuestiones fundamentales de los Lípidos, tomando como modelo los ácidos grasos es que presentan un caracter anfipático, es decir, uno de sus extremos es apolar y el otro extremo es polar. Esto es importantísimo en un medio biológico compuesto por agua, que es el medio polar por excelencia. Fundamentalmente, los lípidos presentan una bajísima proporción de grupos polares (alcohol, oxígeno, sulfhidrilo) respecto al esqueleto hidrocarbonado (el Carbono unido a Hidrógeno carece de carga eléctrica resultante), lo que resulta en una disposición espacial particular de los lípidos en el medio acuoso. Todo ello lo trataremos en profundidad en el capítulo dedicado a las membranas biológicas.


*No he comentado nada acerca de las orientaciones de los dobles enlaces antes pero lo haré aquí: los dobles enlaces pueden ser cis o trans, lo que se debe a que son más rígidos que los simples y no permiten girar los átomos de carbono con libertad. En los enlaces cis, las estructuras en los átomos de carbono a ambos lados del doble enlace están en el mismo lado, mientras que en el trans lo están en lados opuestos. Eso se aprecia en la figura (agrandad para verlo mejor), en la que los carbonos contíguos al 9 y al 10 del ácido oléico (el 8 y el 11) se hallan en el mismo lado del plano y por eso la molécula se dobla. En en caso de que el ácido oléico fuera trans en el enlace doble del carbono C9, la distancia entre C9 y C10 sería menor y la molécula recta como la de palmítico. Esto es sólo importante a los efectos de que no hay ácidos grasos biológicos con enlaces trans, sólo aquellos productos de la actividad humana, como los producidos por hidrogenación de ácidos grasos insaturados de vegetales para fabricar margarinas.

Biomoléculas (II).

En la entrada anterior concluí comentando la importancia de los dos tipos principales de moléculas inorgánicas que se hayan presentes en los seres vivos. No me he referido a los gases pero de ellos nos ocuparemos más adelante, ya que son bastante aburridos a nivel descriptivo (son compuestos sencillos) y su importancia es mucho más funcional, así que será más apropiado mencionarlos en las entradas correspondientes sobre el metabolismo o la fisiología.

En esta entrada, por fin, entraremos en las auténticas biomoléculas, aquellas moléculas orgánicas que son sintetizadas y degradadas por los seres vivos. Elegir un grupo cualquiera de ellas es un poco complicado porque todas tienen su propio papel y relevancia, pero por la naturaleza química más sencilla he optado por los glúcidos. Además, en realidad ningún grupo es completamente exclusivo y puro pero este grupo presenta menor número de elementos y su complejidad no es tan elevada en número de elementos (con excepciones, como siempre en biología, pero eso lo explicaré más adelante).

Naturaleza Química.

Los glúcidos también se han denominado hidratos de carbono o azúcares. El primer nombre deriva de su estructura compuesta por carbono, oxígeno e hidrógeno y el segundo de los glúcidos que antes conoció el hombre. Naturalmente, las cosas no son tan simples y el primer nombre se considera desfasado y restrictivo, mientras que el segundo es inapropiado porque muchos de los glúcidos conocidos no son dulces ni parecidos al azúcar. Glúcidos es un nombre genérico que viene del vocablo griego glykos (azúcar) y adoptado como solución de compromiso.

El grupo comprende moléculas de diferente tamaño, tanto en la longitud de la cadena carbonada (el esqueleto de cada molécula sencilla está formada por entre 3 y 6 átomos de carbono) como en el número de moléculas sencillas que forman cada polímero, pues la mayoría de los glúcidos que conocemos son fibras o cadenas compuestas por muchas moléculas sencillas. Los glúcidos más sencillos son monosacáridos, éstos se unen para formar disacáridos y polisacáridos (cuando el número de moléculas sencillas es cuatro o más). Además, los polímeros pueden ser homo o heteropolímeros, ya que los monosacáridos que los componen no tienen porque ser iguales entre sí. Esto les proporciona una gran flexibilidad funcional, como ya se verá en entradas posteriores.

La naturaleza química de los monosacáridos es la de aldehidos o cetonas (esencialmente un átomo de carbono unido a un átomo de oxígeno mediante un doble enlace en posición terminal o interior, respectivamente, de la cadena carbonada) muchas veces acompañados por grupos alcohol (un átomo de oxígeno unido a un átomo de hidrógeno y a uno de carbono), aunque son más habituales las aldosas que las cetosas. Esta estructura tiene dos características fundamentales: son compuestos polares, por lo que se disuelven facilmente en el agua; y pueden formar enlaces internos cuando tienen más de cuatro carbonos. Estos enlaces internos hacen que se formen anillos cíclicos con el átomo de oxígeno en el plano del anillo y son la forma habitual de la mayoría de glúcidos en los organismos vivos, como la glucosa o la fructosa, y en la que aparecen polimerizando. Importante: el carbono C1, que une el átomo de oxígeno del anillo, recibe el nombre de carbono anomérico. Este carbono suele presentar un grupo hidroxilo/alcohol, que queda por encima (en posición beta) o por debajo (posición alfa) del plano del anillo y es importante para la formación de polímeros, como explico más abajo.

Aldosa y Cetosa en forma lineal.

Isómero D (dextrógiro) e isómero L (levógiro) del mismo monosacárido (Gliceraldehido) determinado por el hidroxilo en posición C2.

Cierre del Anillo cíclico interno de la Ribosa (componente de los ácidos nucléicos).

Dos anillos cíclicos diferentes para una misma molécula lineal con dos isomerías distintas.

También, muchos de estos monosacáridos tienen formar oxidadas y reducidas. Las formas oxidadas más habituales son aquellas formas de ácidos orgánicos en las que el grupo alcohol/hidroxilo, se halla convertido en grupo ácido orgánico/carboxilo (por ejemplo, el ácido glucónico es un derivado ácido de la glucosa). Las formas reducidas suelen ser no cíclicas y presentan dos crupos hidroxilos terminales (por lo que un grupo aldehido ha sido convertido en grupo alcohol). Este último es el caso de los edulcorantes más habituales, como el manitol o el sorbitol.

Formas Oxidantes de diferentes glúcidos.

Formas reducidas de diferentes glúcidos y un aminoglúcido.

Antes mencioné que los glúcidos presentan sólo los tres elementos básicos de la química orgánica, sin embargo, hay modificaciones a esta norma. Existen aminoglúcidos y sulfoglúcidos, en los que aparecen, respectivamente, el nitrógeno (N) y el azufre (S). En los aminoglúcidos el grupo amino (un nitrógeno con dos hidrógenos unido a un carbono del esqueleto de la molécula) es el que aparece sustituyendo un grupo alcohol/hidroxilo, como en el caso de la Glucosamina y de la Galactosamina; mientras, en los sulfoglúcidos, aparece unido el grupo sulfato (un átomo de azufre con cuatro átomos de oxígeno y carga negativa, como un anión, unido al esqueleto carbonado), aunque este caso requiere un proceso de modificación de los glúcidos a nivel celular que ya comentaremos en otra entrega posterior.

Polimerización y grupos.

Los monosacáridos forman polímeros mediante unión entre sí por enlaces glucosídicos. Los enlaces glucosídicos se forman entre el carbono C1 de un anillo y el carbono C1,C4 o C6 del siguiente puenteado por un átomo de oxígeno, por lo que se denominan enlaces o-glucosídicos. Estos enlaces se producen, normalmente, mediando desprendimiento de una molécula de agua, de ahí que los grupos hidroxilo tengan una gran relevancia para la reactividad de estas moléculas. Sin embargo, también se pueden formar enlaces n-glucosídicos, en los que el puente entre monosacáridos es el átomo de nitrógeno, desprendiéndose también una molécula de agua. La posición alfa o beta del carbono anomérico en cada enlace del polímero es clave y, en los homopolisacáridos, es estereotipada, es decir: en los compuestos conocidos los enlaces de un dímero al siguiente no cambian, sino que son regulares.

Un enlace O-glucosídico tipo beta(1-4).

Un ejemplo típico de este estereotipado es el almidón, el glúcido de reserva energética en vegetales, que presenta dos tipos de cadena, amilosa y amilopectina. La amilosa es una cadena lineal de glucosas unidas por enlaces alfa(1-4); la amilopectina es una cadena similar con enlaces alfa(1-4) y cada 12 a 20 glucosas presenta una ramificación alfa(1-6). La estructura espacial de este polisacárido es diferente para cada tipo de cadena y esa disposición espacial influye en su plegado y acumulación en la célula pero también en su reprocesamiento para liberar la glucosa y poder utilizarla en el metabolismo. Sin embargo, no todos los polisacáridos cumplen funciones energéticas, ya que algunos de ellos, gracias a esa geometría de los enlaces entre monosacáridos, forman polímeros estructurales, como en el caso de la celulosa. El simple cambio de orientación en los enlaces (1-4) entre glucosas de alfa a beta, hace que este polímero posea unas características estructurales y físicas completamente diferentes y forme así la dura, tenaz y resistente Pared Celular Vegetal de la mayoría de células vegetales que hace que nuestras lechugas tengan esa textura tan crujiente y tanta fibra (por no hablar de la producción de papel). Y para comentar un ejemplo propio de animales, la Quitina, el polímero que forma los caparazones de prácticamente todos los insectos, es también un homopolímero formado por N-acetil-beta-glucosamina.

Los heteropolisacáridos, en contraste, disponen sus monómeros con un patrón de enlaces que varía de uno al siguiente (aunque se repite, lo que viene de que se sintetizan a partir de disacáridos) y suelen tener un alto índice de aminoglúcidos. Se presentan, sobre todo, en la matriz extra/intercelular, el tejido conjuntivo y el cartílago, proporcionando viscosidad y lubricación: actúan reteniendo agua y formando enlaces con proteínas estructurales de esos mismos tejidos.

El último grupo estructural de glúcidos es el de los Péptidoglucanos. Se trata de péptidoglucanos formados por cadenas de polisacáridos dispuestos en paralelo unidos por cadenas polipeptídicas. Los péptidoglucanos son exclusivos de procariotas (bacterias), formando parte de la Pared Celular Bacteriana y con una gran importancia en su patogenicidad.

Papeles Funcionales.

Los glúcidos son fundamentales en los siguientes papeles:
-Energético.
-Estructural.
-Señalización y Comunicación Biológica.
En posteriores entregas podréis leer sobre estos papeles en detalle, pero por el momento esto debe servir de referencia.

Nuestra próxima entrega estará dedicada a los lípidos.

Post Scriptum: he añadido un enlace a la lista, el de la revista Annals of Improbable Research (Anales de Investigación Improbable, insertad vuestro chiste escatológico aquí, por favor. No, en serio, hacedlo aquí).

Suplemento de Química Orgánica.

Para poder llevar con más ligereza los capítulos posteriores me he planteado el publicar un pequeño suplemento listando los grupos principales de las química orgánica. Ayuda en todo esto el considerar la química orgánica como montar y desmontar puzzles, ya que, en el fondo, la cantidad de elementos que entran en juego es limitada y las reglas son claras y evidentes. Además, no voy a entrar en la formulación IUPAC (la Unión Internacional para la Química Aplicada), sino en la nomenclatura de los grupos de química orgánica para que podais identificar aquellos sobre los que escribiré en las entradas posteriores.

La primera consideración es que en la química orgánica, y por extensión la bioquímica, el Carbono es el elemento clave, formando un esqueleto en cada molécula sencilla en la que los átomos de carbono se hallan unidos entre sí por enlaces simples (alcanos), dobles (alquenos) o triples (alquinos), todos ellos hidrocarburos. Como ya comenté en la primera entrada sobre Biomoléculas, los electrones de los orbitales más externos de los diferentes átomos son compartidos entre sí para alcanzar la estabilidad electrónica. En el caso del carbono, faltan 4 electrones para alcanzar los ocho que garantizan la estabilidad, por lo que habría que imaginar los electrones de la capa de valencia como cuatro puntos alrededor del átomo de carbono. Al colocar un átomo de hidrógeno cerca del átomo de carbono, éste posee un electrón que compartir y por lo tanto se pueden unir los dos puntos/electrones con una línea para identificar un par electrónico. Hacemos lo propio con otros tres átomos de hidrógeno y ya tenemos cuatro líneas/pares electrónicos alrededor del átomo de carbono, lo que nos ofrece la estabilidad electrónica buscada con ocho electrones (y nos daría el metano, gas de todos conocido, sobre todo después de una buena fabada).

Siguiendo este método, se puede hacer lo mismo con el resto de átomos, más o menos como si fuera un puzzle, como contaba, lo único que hace falta es saber el número de electrones en la capa de valencia de los diferentes átomos que aparecen en la química orgánica. Así, el oxígeno tiene dos electrones libres, el nitrógeno tiene tres, el azufre tiene dos (excepto en forma de sulfato, que tiene ocho pero séis están compartidos con átomos de oxígeno) y los halógenos (Fluor, Cloro, Bromo, Yodo) tienen un electrón suelto. Una vez asumidas estas reglas (ayuda revisar la Tabla Periódica. En esta que enlazo, en la esquina superior derecha de cada elemento podéis ver las diferentes capas de electrones, la última es la que está más abajo y, por tanto, la de valencia) podemos pasar a identificar los grupos de química orgánica.

Grupos Funcionales de Química Orgánica:
(IMPORTANTE: los guiones indican el electrón libre del carbono por el que cada grupo puede enlazar al esqueleto carbonado. R representa un esqueleto carbonado o radical cualquiera y los números son subíndices. Cuando un Carbono va entre paréntesis se refiere a que no está en posición terminal: los grupos funcionales tienen prioridad en la nomenclatura y numeración de los carbonos, siendo los carboxilos los más importantes, luego los aldehidos, etc. En bioquímica es menos importante porque los esqueletos carbonados se hacen enormes y es más facil usar nombres propios/tradicionales pero señalaré la numeración de los carbonos cuando sea preceptivo)

Ácido Orgánico/Carboxílico o Grupo Carboxilo: -COOH (el carbono une dos electrones a un átomo de oxígeno y el otro un átomo de oxígeno unido a un átomo de hidrógeno).

Ácido Sulfónico: -SO3H

Sales: -COOM / -(C)OOM (el átomo M es de un metal o metaloide monovalente (un solo electrón en su capa más externa, como Sodio o Potasio)

Ésteres: -COOR /-(C)OOR (el átomo de oxígeno unido al carbono por un solo electrón une por su otro extremo a un esqueleto carbonado).

Haluros de ácido: -CO-Hl (halógeno) / -(C)O-Hl

Amidas: -CO-NH2 / -(C)O-NH2

Amidinas: -C(=NH)-NH2 / -(C)(=NH)-NH2

Nitrilos/Cianuros: -CN / -(C)N

Aldehidos: -CHO

Cetonas: R1-(C=O)-R2 (los dos enlaces del átomo de Carbono unen a dos átomos de carbono del esqueleto de la molécula. Las cetonas se oponen a los aldehidos en que estos últimos se forman en los extremos de la molécula (primer o último carbono).

Alcoholes/Hidroxilos: -OH

Tioles: -SH

Hidroperóxidos: -O-OH

Aminas: -NH2

Iminas: =NH

Éteres: -O-R

Sulfuros: -SR

Peróxidos: -O-OR

Nitros: -NO2.


Referencias:

Química Orgánica.


Agradecimientos: a Pilar por la sugerencia de los resaltes en negrita.

Biomoléculas (I).

Esta entrada tiene el propósito de introducir los sillares elementales de la vida, las biomoléculas, de una forma comprensible. Es dificil de hacer a palo seco pero trataré de hacerlo lo más facil posible. Aún así, en algunos casos, como principios de física o química que referiré aquí y en otros artículos posteriores, sugiero a los lectores que o bien hagan un acto de fe (y me crean tal cual les cuento) o que se documenten por otras fuentes. Pero ahora pasemos al tema que nos ocupa.

Los principales grupos de biomoléculas son los siguientes:
-Glúcidos.
-Lípidos.
-Proteínas.
-Ácidos Nucleicos.
A estos cuatro grupos hay que sumar el agua y los electrolitos, átomos cargados o iones, de ciertos elementos (sobre todo metales y metaloides) y gases, como el dióxido de carbono y el oxígeno.

Agua y Electrolitos:

El agua, no siendo una biomolécula, es fundamental para la vida, supone el medio en el que ocurren todas las reacciones de la vida y además participa activamente en muchas de ellas como substrato, intermedio de transporte de electrones y protones o como producto. Sin el agua, la vida no ocurriría. Practicamente casi todas las propiedades del agua tienen que ver con las propiedades físicas de la misma molécula. Aquellos que han pasado por la educación primaria normalmente conocen la formula química del agua: dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. La estructura geométrica de esta molécula es clave en las propiedades del agua, fundamentalmente, tiene forma triangular, con el oxígeno en un vértice y los dos átomos de hidrógeno en los otros dos. Esto tiene relación con la electronegatividad de los átomos de oxígeno y de hidrógeno.

En este punto hablaremos de la electronegatividad por su importancia posterior.

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Los átomos de todos los elementos conocidos tienen diferente electronegatividad, una propiedad que deriva del número de electrones en las capas superiores. Normalmente, todos los átomos de un elemento tienen carga eléctrica neutra: los protones y los electrones están compensados (y de hecho el número de protones, el número atómico, es igual al de electrones). Sin embargo, en las últimas capas, los electrones determinan la electronegatividad, una carga aparente, por así decir, que genera efectos de atracción y de repulsión electrostática entre los átomos que componen una molécula.

La diferente electronegatividad viene de la tendencia de unos átomos u otros a retener los electrones en sus orbitales superiores. Sin adentrarnos mucho en la teoría cuántica de la estructura atómica: el número de electrones en la última capa de orbitales de un átomo tiende a una estabilidad en torno a ocho (salvo el Helio, al que le basta con dos), que es el caso de los gases nobles. Los gases nobles no reaccionan en ningún caso porque su última capa de orbitales presenta esos ocho electrones y es estable. Los átomos de otros elementos, precisamente, reaccionan con otros átomos para alcanzar esa estabilidad al introducir electrones del otro átomo en sus propios orbitales o cederlos al otro y así quedar en equilibrio. El motivo por el que no se separan convertidos en un átomo del elemento inmediatamente superior o inferior (el del gas noble más próximo, vaya) es que sus protones no pueden compensar la diferencia de carga tal cual y quedan entrelazados en una molécula, de modo que en realidad los electrones son compartidos.

Por poner ejemplos: al oxígeno le faltan dos electrones en su última capa para tener la configuración electrónica del Neón, mientras que al Sodio le sobra un electrón para tener esa misma configuración electrónica. Lógicamente, un átomo de oxígeno reaccionará con dos átomos de sodio para producir monóxido de sodio, que será electronicamente estable. Las posiciones en la Tabla Periódica de los Elementos señalan esos electrones de más o de menos de la última capa de orbitales (que normalmente son referidas como capa de valencia).

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La estructura geométrica de la molécula de agua, pues, es un producto de esta propiedad de la electronegatividad. El oxígeno es muy electronegativo y el hidrógeno muy electropositivo (de hecho es un solo protón junto a un solo electrón), por lo que el oxígeno tiene a atraer hacia sí los electrones y a dejar los protones más o menos desnudos. Normalmente, si las cargas estuviesen enquilibradas entre los átomos de hidrógeno, el ángulo entre ambos sería de 60º, como en un triángulo equilátero, pero al estar desnudos y presentar carga positiva por ser sólo protones, el ángulo es más abierto porque se repelen entre sí (de unos 109º, si no falla mi memoria). Sin embargo, se produce un fenómeno más importante aún que ése: la molécula de agua es dipolar, posee un polo de carga negativa y dos polos de carga positiva. Esto es esencial para comprender los fenómenos biológicos.

Figura 1. La molécula de agua (delta indica carga relativa en la molécula).

Como consecuencia más directa de la naturaleza dipolar del agua está, aparte de que el agua sea un líquido, el hecho de que las sales en disolución se disponen de forma iónica: por ejemplo, el cloruro de sodio (NaCl), la sal marina que todos empleamos en cocina, al disolverlo en agua se divide en iones de sodio con carga positiva (cationes) y de cloro con carga negativa (aniones). Esta división ocurre porque el agua solvata las moléculas de la sal y la carga eléctrica de cada dipolo equilibra la carga descompensada de cada átomo de la sal por separado (pero cuidado: no se forma un enlace covalente, es decir, no se comparten o intercambian electrones). La enorme importancia de este fenómeno radica en que el agua es un medio en el que se pueden mover cationes y aniones, generando diferencias de potencial eléctrico, compensando cargas y sirviendo de intermediarios de transporte electrónico claves para un gran número de procesos bioquímicos.

Figura 2. Disposición de las moléculas de agua entre sí.

Figura 3. Disposiciones posibles de las moléculas de agua en presencia de cationes sodio y aniones cloro procedentes de la sal marina.

Los electrolitos, los cationes (Calcio, Sodio, Potasio, Magnesio, Manganeso, Hierro, Amonio) y aniones (Cloro, Fosfato, Sulfato, Sulfuro) clave, son, en más de un caso, imprescindibles para la vida y posibilitan las reacciones básicas que hacen que estemos aquí, además de toda una serie de procesos fisiológicos tan importantes como la transmisión nerviosa. Aunque sólo estemos hablando de compuestos y moléculas inorgánicas, su relevancia para los seres vivos es incalculable.

P.S.: las figuras que publicaré a partir de ahora serán manuscritas, así que no me tengáis muy en cuenta el que no sean muy claras o detalladas. Escanearía directamente las buenas de algunos de mis libros de referencia pero tampoco me cuesta mucho y no quiero meterme en líos de derechos de autor y todo eso.



Referencias elementales:

Química Básica para entender la Bioquímica. The Biology Project, Universidad de Arizona.