Los enlaces químicos y la importancia en biología
3.1. Enlace iónico Este enlace como tal, como el que constituye los cristales de cloruro sódico, no lo encontramos en la materia viva. Sin embargo, sí abundan las formaciones sólidas cristalinas: cristales de aragonito en conchas de moluscos, cristales de hidroxiapatito revistiendo las fibras de colágeno en el tejido óseo, estructuras de sílice en los frústulos de las diatomeas, etc.
3.2. Enlace o puente de hidrógeno Es un tipo de unión débil, pero de extraordinaria importancia en la estructura química de la materia viva. Se trata de la atracción entre dos regiones moleculares que tienen carga iónica parcial de distinto signo y que están suficientemente próximas. En estas condiciones, ambas regiones moleculares quedan recíprocamente orientadas y ligeramente ‘sujetas’. Esta atracción es muy débil, pero si son muchas las regiones de las dos moléculas atraídas, pueden quedar establemente unidas; es el caso de la doble hélice del ADN. Otras veces, estas uniones se realizan entre regiones distantes de una misma molécula, pero que, por su compleja configuración espacial quedan suficientemente próximas. Este es el caso de la hélice alfa de las proteínas, donde los enlaces de hidrógeno se forman entre los grupos C=0 y N-H enfrentados. En el caso del agua, sus moléculas forman enlaces de hidrógeno entre sí, y esto es lo que explica que el hielo, por la mayor ordenación de sus moléculas, sea menos denso que el agua líquida. La estabilidad de los enlaces de hidrógeno disminuye con el aumento de temperatura.
3.3. Enlace covalente: Este es el enlace químico por excelencia, y hace posible la enorme diversidad molecular que integra la materia viva. Las moléculas así formadas no pierden estabilidad en el ambiente acuoso propio de toda célula. Un hecho importante es que los cuatro bioelementos mayoritarios (H, C, N, O) están entre los elementos químicos más ligeros capaces de formar un enlace covalente. Entre las moléculas que tienen enlaces covalentes se presentan diversidad de comportamientos, lo que permite la compleja organización química de la materia viva.
3.4. Enlaces del átomo de carbono: En las biomoléculas, la mayoría de los enlaces entre carbonos son simples, pero también existen abundantes casos de doble enlace. Es importante recordar que, mientras el enlace simple entre carbonos permite el giro de los átomos así unidos, el doble enlace lo impide; por esta razón, hace posible los isómeros de posición cis y trans. Además, cuando existe un doble enlace, los centros de seis átomos quedan situados en el mismo plano, y esto tiene importantes consecuencias para la configuración espacial de las proteínas.
Microscopía óptica: 5.2. Aumento, poder de resolución y granularidad mínima observable
El aumento de un microscopio es la relación entre una dimensión lineal de la imagen que viene y la dimensión del objetivo real. La apertura numérica del objetivo (AN) es un parámetro que permite calcular el poder de resolución y el tamaño mínimo observable. Viene dada por la expresión: AN = n sen u, siendo n el índice de refracción del medio existente entre el objeto y la lente frontal del objetivo, y u el semiángulo de apertura del objetivo. El poder de resolución o poder separador (PR) es la propiedad más importante en un microscopio, ya que de ella depende la nitidez con que se perciben los detalles. Se calcula mediante la expresión: PR = ANA, siendo X la longitud de onda de la radiación utilizada. El tamaño mínimo observable o límite de resolución (D) es la distancia mínima a la que tienen que estar dos puntos de la muestra para que puedan verse como distintos. También puede definirse como la anchura mínima de una rendija o de un objeto para que resulten visibles al microscopio. Su valor es el inverso al poder separador (D = 1 / PR). Según la longitud de onda de la radiación utilizada, se pueden apreciar los objetos con mayor o menor detalle. Así, la microscopía de radiación ultravioleta, que utiliza una longitud de onda más corta que la visible, permite conseguir más detalle que el obtenido con luz ordinaria. También se consigue mejorar la calidad de la observación mediante la inmersión de la lente frontal del objetivo en aceite de cedro o en otro líquido adecuado. Por ejemplo, con un objetivo de inmersión de AN = 1,25 y utilizando radiación ultravioleta de X = 300 nm, el poder de resolución logrado será 4,17 10-3 nm-1. Por tanto, el tamaño mínimo observable es 240 nm, un valor bastante significativo teniendo en cuenta que el límite de resolución del ojo humano es de 0,1 mm. La muestra procesada debe ser una lámina plana, rígida y delgada, y puede estar coloreada. Estos requisitos son necesarios para que la muestra pueda enfocarse, se manipule con facilidad, deje pasar la luz y se puedan diferenciar las diversas estructuras.
3. Sales minerales 3.3. Disoluciones amortiguadoras del pH: Denominadas sistemas tampón o buffer, son disoluciones de naturaleza variada que mantienen el pH constante cuando se le añade un ácido o una base. Generalmente, contienen dos especies iónicas en equilibrio formadas por ácidos débiles, sus bases conjugadas o bases débiles y sus ácidos conjugados. La alteración del pH del medio se contrarresta debido al desplazamiento del equilibrio entre estas dos especies. Existen disoluciones amortiguadoras en todos los fluidos biológicos. Son imprescindibles para mantener la vida, al permitir la realización de funciones bioquímicas y fisiológicas en las diferentes estructuras de los organismos. Los tampones fisiológicos pueden ser de naturaleza orgánica como las proteínas, los aminoácidos y el tampón hemoglobina, o de naturaleza inorgánica como el tampón bicarbonato y el tampón fosfato. En el sistema tampón bicarbonato, las dos especies son el ión bicarbonato HCO3 y el ácido carbónico H2CO3, que a su vez se disocia en dióxido de carbono y agua. En el plasma sanguíneo, el CO2 procedente del metabolismo celular se combina, de forma reversible, con H2O originando H2CO3.
El ácido carbónico es un ácido débil que también puede disociarse en iones.
El equilibrio de este sistema viene determinado por la siguiente ecuación.
Cuando se produce un aumento de la concentración de iones H+, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda y se elimina al exterior el exceso de CO2 producido. Si, por el contrario, disminuye la concentración de 1-1+, el equilibrio se desplaza en sentido contrario tomando CO2 del exterior.
A pH 7,4, la relación HCO3 / H2CO3 en sangre es 20/1, por lo que es un excelente amortiguador de ácidos en el medio extracelular. Este sistema ofrece, además, la ventaja de ser abierto al poder eliminar el exceso de CO2 por ventilación pulmonar y el exceso de HCO3 por los riñones. En el sistema tampón fosfato, las dos especies son el ión dihidrógeno fosfato (H2PO4-) y el ión monohidrógeno fosfato (HP01-). Su equilibrio viene determinado por la siguiente ecuación.
Cuando se produce un aumento de la concentración de iones H30+, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda; si, por el contrario, se produce una disminución, el equilibrio se desplaza en sentido contrario. A pH 7,4, la relación HPOt / H2PO4- es 4/1, por lo que resulta un buen sistema para amortiguar ácidos. La concentración de fosfato en sangre es baja, y su capacidad amortiguadora es escasa si la comparamos con la del tampón bicarbonato. Sin embargo, es un eficaz amortiguador de pH en el medio intracelular teniendo en cuenta las elevadas cantidades de fosfato que existen en el interior de las células. El pH sanguíneo oscila entre 7,40 (sangre arterial) y 7,35 (sangre venosa). Este equilibrio se mantiene gracias a numerosas disoluciones amortiguadoras del pH, entre las que destaca, por su importancia, el tampón bicarbonato.
Carácter coloidal de la materia viva
La gran cantidad de agua contenida en la materia viva actúa como disolvente o fase dispersante para diversas moléculas de soluto, que constituyen la fase dispersa. En general, cuando las moléculas dispersas en un disolvente tienen diámetros inferiores a 10′ cm, las mezclas formadas se conocen como disoluciones verdaderas, que son mezclas homogéneas. Cuando los diámetros de las partículas son superiores y oscilan entre 10-‘ y 2 • 10-5 cm, se forman unas mezclas heterogéneas denominadas dispersiones coloidales o simplemente coloides. En la materia viva, las disoluciones verdaderas contienen moléculas de soluto de pequeño tamaño, como azúcares, sales minerales o aminoácidos. Las partículas de soluto de las dispersiones coloidales, sin embargo, son grandes moléculas, como polisacáridos, proteínas, lípidos o ácidos nucleicos. A pesar de la elevada masa molecular de algunas de las moléculas dispersas, las dispersiones coloidales son estables y las partículas coloidales no sedimentan. Estas dispersiones pueden, a su vez, presentar dos estados físicos: • Sol. Un coloide en forma de sol tiene aspecto líquido, ya que las moléculas de soluto que constituyen la fase dispersa se encuentran en menor cantidad que las de la fase dispersante líquida. • Gel. Un coloide en forma de gel tiene aspecto semisólido y gelatinoso. Las moléculas de disolvente están ‘atrapadas’ entre las de soluto, que se entrelazan formando una red continua que actúa como fase dispersante. La red impide que el disolvente fluya, por lo que el gel se comporta como un sólido blando y fácil de deformar. Los geles de pectinas se extraen de las membranas celulares de algunas frutas; la gelatina es una proteína gelificante que se obtiene de los huesos y la piel, y el colágeno puede formar fibras que se encadenan para formar geles. En las células, los estados de sol y gel se alternan según las variaciones de concentración de las partículas coloidales y los lugares en los que se encuentren. Las variaciones de temperatura, pH, presión o concentración aumentan la reactividad de las micelas, de tal manera que las reacciones que se producen entre ellas pueden modificar el estado de las dispersiones coloidales, pasando de sol a gel. No en todos los casos este proceso es reversible; por ejemplo, la clara de huevo (sol) se coagula por efecto del calor y no puede retornar a este estado.