Biología, la vida en la tierra con fisiología Tomo 01-páginas-8

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Átomos, moléculas y vida 2 3
Investigación científica
La radiactividad en la Investigación
¿Cóm o saben los biólogos q ue el ADN es e l material genético 
de la s células? ¿Cómo miden los paleontólogos la edad de 
los fósiles? ¿Cóm o saben los botánicos de qué manera 
transportan las plantas los azúcares formados e n las hojas 
durante la fotosíntesis a otras p an es de su organismo? f stos 
descubrimientos y muchos más fueron posibles gracias al uso de 
Isótopos radiactivos. Durante la desintegración radiactiva, que 
es la división espontánea de un isótopo radiactivo, éste emite 
panícu las que pueden detectarse con aparatos electrónicos 
sensibles. U n uso d e los Isótopos radiactivos particularmente 
fascinante e Importante para la medicina e s en la tomografla 
por emisión de positrones, P íT (por sus siglas e n Inglés, 
p ositrón em lsslon tom ograpby) (R G U R A E2-1). En una aplicación 
común d e exploración PET, se administra a un sujeto glucosa 
marcada con un Isótopo radiactivo de flúor. Cuando e l Isótopo 
se deslntregra emite dos ráfagas de energía en d irecciones 
opuestas. Un anillo d e detectores colocado alrededor de la 
cabeza del sujeto capta las em isiones y registra los tiem pos de
llegada ligeramente diferentes d e las dos emisiones d e todas las 
partículas que se desintegran.
A continuación, una potente computadora calcula e l lugar del 
cerebro en donde ocurrió la desintegración y genera un mapa 
con un código de color, d e la frecuencia de desintegraciones 
en un corte transversal (una 'rebanada ') del cerebro. Cuanto 
m ás activa está una reglón cerebral, más glucosa utHlza como 
fuente de energía y m ás racSactMdad se concentra ah í. Por 
ejemplo, las células tumorales crecen y se d ividen rápidamente, 
y consum en grandes cantidades de glucosa, por e llo aparecen 
en las exploraciones PET como “zonas callentes" (F IG U R A E2-1e). 
Las reglones normales del cerebro activadas por tareas mentales 
específicas (como resolver un problema matemático) también 
tienen m ayores demandas de glucosa que pueden detectarse 
con exploraciones PET. Así. los médicos usan esta técnica para 
localizar trastornos cerebrales y los Investigadores la emplean 
para estudiar cuáles partes def cerebro se activan con diferentes 
procesos mentales.
(a ) S o co lo ca a l au jato en a l oscánar (b) B cor obro ao vo en "rebanadas’ fe) L a Im agan com puterizada resultante
A F IG U R A E2-1 0 fu n c io n a m ie n to d e la to m o g ra f ia p o r e m is ió n d e p o s itro n e s
p erm iten in teracciones d e atracción, llam adas e n la ce s q u ím ic o s , 
con otros átom os. Ixm núcleos resisten las perturbaciones d e las 
fuerzas del exterior: las fuentes co m u nes de energ ía (c o m o calor, 
e lectric idad y lu z ) apenas los afectan. C o m o e l núcleo d e un áto ­
m o d e ca rb o n o e s estable, sigue s iendo carbono aunq ue form e 
parte d e u n d iam ante , u n a m o lécu la d e d ió x id o d e ca rb o n o o un 
azúcar. S in em bargo, las capas e lectrónicas so n d inám icas, capa­
ces d e cap tar y liberar energ ía y fo rm ar en laces quím icos.
La vida depende de la capaddad de los electrones 
de cap tar y liberar enorgia
C o m o las capas e lectrón icas corresponden a n iveles energéticos, 
cu an d o u n á to m o se excita p o r m e d io de alguna fo rm a d e ener­
g ía co m o ca lo r o luz, esta energ ía hace q u e el e lectrón sa lte de 
u n a rapa e lectrón ica d e p oca energ ía a o tra m ás energética. Po c o 
después, e l e lec trón regresa espontáneam ente a su capa o rig ina l y 
libera energía, m uchas veces e n fo rm a d e lu z (F IG U R A 2-3).
A provecham os esta p rop iedad d e los e lectrones todos los 
d ías. C u a n d o encend em os u n foco, la e lectric idad q ue flu ye p o r 
e l f i la m e n to d e l fo co lo ca lien ta y la energ ía térm ica im pu lsa a 
los e lectrones d e l fila m e n to m etá lico a un a capa d e m ás energía. 
C u a n d o los e lectrones vu e lven a s u capa o rig ina l, em ite n e n for­
m a de lu z la energ ía q u e captaron. La v id a m ism a d ep end e d e la 
capacidad de los e lectrones d e captar y lib erar energ ía, co m o se 
verá e n los cap ítu los 7 y 8, cuando se h ab le d e la fotos ín tes is y la 
resp iración celu lar.
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2 4 U v * d a d e la c é lu la
A F IG U R A 2*3 C ap tu ra y liberación d e energ ía
2.2 ¿C Ó M O IN T E R A C T Ú A N LO S Á T O M O S 
PA R A F O R M A R M O LÉC U LA S ?
Los átom os interactúan con otros 
átom os cuando hay vacíos en su capa 
electrónica externa
U n a m o lé c u la consta d e dos o m ás á to m o s d e l m ism o e lem en to 
o d e e lem en tos diferentes, q ue se m an tien en un idos por las in te ­
racciones d e su capa e lectrón ica externa. U n a sustancia con m o ­
léculas fo rm adas p o r d iferentes tipos d e á to m o s se lla m a c o m ­
p u es to . l a » á to m o s operan según dos p rin c ip io s básicos:
• U n á to m o n o reacciona con otros s i s u capa e lectrónica 
extem a está com p le tam en te llena . S e dice que este á to m o es 
inerte.
• U n á to m o reacciona con o tros s i su capa electrónica externa está 
incom pleta. Se dice q ue el á to m o es reactivo.
Para d em o stra r estos p r in c ip io s , to m e m o s tres á to m o s 
d iferentes: h e lio , h id ró g e n o y ox ígeno (w fanse las figuras 2 - 1 y 
2-2). PJ h e lio tien e dos p ro tones e n e l núcleo y dos e lectrones 
lle n an su ú lt im a ( y ú n ic a ) capa . C o m o la ca p a externa está lle ­
na, e l h e lio es inerte . E l h id ró g e n o t ie n e u n p ro tó n e n e l n ú c le o 
y un e lec tró n e n su ú n ica cap a , q ue p uede co n ten er d o s e le c tro ­
nes . E l ox ígeno t ie n e seis e lec tro nes e n s u ca p a externa, la cual 
p uede tener o ch o . Lo s á to m o s d e h id ró g e n o y ox ígeno , q u e tie ­
nen la ca p a ex tem a in co m p le ta , so n reactivos. U n a fo rm a de 
q ue se e s tab ilice n estos á to m o s es q u e reacc io n en u n o c o n el 
o tro . Los e lec tro nes so los d e d o s á to m o s d e h id ró g e n o pueden 
l le n a r la ca p a externa d e u n á to m o d e o x íg en o y fo rm a r agua 
( H j O ; véase, la figura 2-6b). D e h ech o , el h id ró g e n o reacciona 
ta n v ig o ro sam en te c o n e l o x íg en o q u e el tran sb o rd ad o r espa­
cia l y o tros co h e tes usan h id ró gen o líq u id o co m o co m b ustib le 
p a ra d espegar (véase e l ap a rtad o "En la ce s co n la v id a d ia r ia : 
Bu en o ..., ¿q u é gas d eb e ría u sar para in f la r m i d ir ig ib le o para 
lle n a r el tan q u e d e m i a u to m ó v il? * ) .
U n á to m o co n un a capa electrónica externa incom pleta 
puede estab ilizarse s i p ierde e lectrones (s i v a c ía com pletam ente 
su capa ), los adqu iere (la l le n a co m p le tam e n te ) o s i los co m p an e 
con o tro á to m o (p a ra q ue am bos se encuen tren co m o s i tu v ie ­
ran llena su capa ex terna ). E n m u d io s casos, las reacciones que 
lle n an o vac ían las capas e lectrónicas externas p roducen enlaces
q u ím ico s estab les (co m o ve rem o s después); e n cam b io , ciertas 
reacciones q ue ocu rren d e fo rm a co m ú n e n e l o rg an ism o p ro d u ­
cen m o lécu las llam adas rad icales lib res q ue so n m u y inestab les y 
reactivas.
Los radicales libres reaccionan fuertem ente 
y pueden dañar las células
A lg u nas reacciones p rod ucen m o lécu las q ue t ien e n á to m o s con 
u n o o m ás electrones s in p ar e n la ú ltim a capa . Es ta m o lécu la se 
llam a ra d ic a l H b re . Los rad icales libres, q ue pueden tener carga 
o no , reaccionan fác ilm en te co n las m o lécu las cercanasy aceptan o 
ceden electrones para a lcanzar u n a o rgan izac ión m ás estable. 
P e ro al aceptar o d o n a r electrones, m uchas veces u n rad ical lib re 
deja u n e lectrón su e lto e n la m o lé cu la q ue ataca, co n lo q ue se 
form a un nuevo rad ica l y se p roduce u n a serie d e reacciones q ue 
puede lle va r a la destrucc ión d e m o lécu las b io lóg icas cruciales 
p a ra la v ida . Los rad icales lib res q ue se form an m ás a m enu do 
e n las reacciones b io lóg icas co n tien en oxígeno. U n e jem p lo e s el 
agua ox igenada (p e ró x id o de h id ró gen o , 1 1 , 0 , ) q ue se usa para 
a d a ra r e l p e lo o b lan q u ear los d ientes, la cual reacc iona con el 
p igm ento (m e la n in a ) q ue d a co lo r al p e lo , de m o d o q ue se vu e l­
v a inco lo ro .
1.a rad iac ió n (c o m o la d e l S o l o d e lo s rayos X ) , los p ro ­
ductos q u ím ic o s del escape d e los au to m ó v iles y d e l h u m o d e l 
d g a rro , l o m ism o q ue m eta les ind ustria les co m o e l m e rcu rio y 
el p lo m o pueden en tra r e n el cuerpo y generar rad ica les lib res. 
S in em bargo, casi todos los rad ica les lib res se generan e n reac­
c io nes q ue so n esenc ia les para la v id a p o rq u e su m in is tra n a las 
cé lu las energ ía y co n sum en oxígeno. La m uerte ce lu lar causada 
p o r los rad icales lib res es parte d e varias do lencias hum anas, p o r 
e je m p lo en fe rm ed ad es card iacas o trasto rnos d e l s is tem a ne r­
v io s o co m o la enfe rm ed ad d e A lz h e im e r. A l d añ a r el m ateria l 
genético , lo s rad ica les lib res tam b ién p ro d u ce n ciertas fo rm as d e 
cáncer. M u ch o s c ien tíficos p ien san q u e el d e te rio ro gradual d e l 
cuerpo q u e ocu rre co n la edad es resu ltado , a l m enos e n parte, 
d é la a cu m u la c ió n d e daños d e rad ica les lib res p o r la exp o s ic ión d e 
toda la v id a (F IG U R A 2-4). P o r fo rtun a , m o lécu las llam adas 
a n t io x id a n te s reacc io n an co n los rad ica les lib re s y lo s vu e lven 
ino fensivos. N uestro cu e rp o s in te tiza va r io s an tio x id an tes y es 
posib le o b ten e r o tros de u n a d ie ta sana. Las v ita m in a s E y C son 
an tiox idan tes, a s í co m o o tro s com puestos d e fm tas y verduras.
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Álom os, moléculas y vida 25
t s
0 6 d e mayo d e 1 937, e l d irig ible d e lujo para pasajeros 
H n d tn b u rg descendía en lakehu rs i, N ew Jersey, para concluir 
el viaje que había Iniciado tres d ías an tes en Alemania. Cuando 
soltó las líneas d e amarre, la multitud d e periodistas, fotógrafos 
y un locutor d e radio que se habían reunido para hacer la 
crónica del aterrizaje miraron horrorizados la aparición súbita de 
llamas. En 40 segundos, la nave fue consum ida com pletam ente 
por d fuego (F IG U R A C2-2) Murieron 36 personas.
B H in d en b u rg estaba lleno d e g as hidrógeno (H,). Y a q ue su 
última capa electrónica está Incom pleta, el g as d e hidrógeno 
H , reacciona vigorosam ente con el oxigeno d e l a ire ; en otras 
palabras, el h id rógeno arde. Po r su naturaleza extrem adam ente 
com bustible, es m uy peligroso usar e l h id rógeno en dirig ibles, 
pero puede se rv ir para reem plazar a la gasolina com o 
com bustib le para autom óviles. La com bustión del hidrógeno 
sólo genera agua com o producto d e reacción. En cam b io , la 
gasolina está com puesta d e cadenas d e ca rbonos un idos al 
hidrógeno, p o r lo que al quem arse, no sólo com b ina átom os 
de oxigeno e h idrógeno para producir agua, s ino q ue también 
com bina átom os de oxigeno y carbono, lo q ue produce d ióxido 
de carbono, d e l q ue h o y se sabe e s uno d e los principales 
factores d e l calentam iento de la atm ósfera.
¿Deben ios automóviles Impulsarse con hidrógeno? SI se 
usan combustibles fósiles en etapas d e uso Intenso de energia 
para generar, comprimir, transportar, guardar y distribuir el 
hidrógeno para los vehículos, se frustrarla d e l todo La reducción 
de emisiones d e dióxido de carbono, que seria la ventaja d e usar 
hidrógeno. Pero si fuera posible usar fuentes d e energia solar,
V
▲ F IG U R A E2-2 E l H in d en b u rg , r e p le to d e h id ró g e n o , a rd e 
en lla m as
PREGUNTA Uenar e l H ndenburg con hidrógeno y no helio lo hizo 
elevarse un (toco más. Explica por qué.
e ó k a y otras formas renovables para producir y distribuir el 
hidrógeno, seria un sustituto sostcniblc y ecológico d e la gasolina.
D icho sea d e paso, no te preocupes d e que los dirig ibles 
que flotan sobre los estad ios en encuentros deportivos estallen 
en llam as, pues son dirig ibles modernos, llenos d e helio. Ya 
que su capa electrónica ex tem a está com pleta, e l helio no 
reacciona y no arde.
y
Enlaces con la vida diaria
Bueno..., ¿q ué g a s debería u sa r pa ra inflar m i dirigible o pa ra llenar el tanque 
de m i automóvil?
A F IG U R A 2-4 D a ñ o d e lo s rad ica les lib re s El envejecimiento 
es resultado, en parte, de la acumulación de daños causados por 
los radicales libres a las moléculas que componen el organismo.
Por ejemplo, la luz solar genera radicales libres en la piel, los cuales 
rfaftan las moléculas que le dan elasticidad y contribuyen a que nos 
arruguemos con los artos.
P R EG U N T A ¿Cómo dañan los radicales libres a las moléculas biológicas?
Para conocer o tras fuentes d e antiox idantes, consulta el apartado 
'G u a rd iá n d e la sa lu d : ¿Bs bueno e l ch o co la te para la s a lu d ? " , de 
la pág ina 2 6 .
Los enlaces quím icos unen a los átom os 
en m oléculas
lo s enlaces quím icos, las fu e r a s d e atracción q ue m antienen u n i ­
dos a los átom os para form ar m oléculas, se producen e n interac­
ciones en tre átom os contiguos q ue ganan, p ierden o com parten 
electrones, lo s átom os d e cada e lem en to tienen propiedades de 
en lace q u ím ico e n virtud d e la configuración de los electrones 
d e su capa externa. U n a r e a c c ió n q u ím ic a es la fo rm ación y d i­
so lu c ió n de enlaces quím icos, p o r los cuales u n a sustancia se con­
vierte e n otra. M a y tres tipos básicos d e en laces quím icos: ión icos, 
covalentes y d e h id rógeno (Tab la 2-2).
Se form an enlaces iónicos entre átom os 
con carga eléctrica llam ados iones 
lo s á to m o s q u e t ien e n casi vac ia la capa e lectrónica externa, asi 
co m o los q u e la t ien e n casi llena , se estab ilizan s i ced en e lectro ­
nes (s i v a d a n sus capas m ás exterio res) o s i los acepta (s i llenan 
a is capas m ás exterio res). 1 .a fo rm ac ió n d e la sal d e mesa (c lo ru ­
ro d e so d io , N a C l ) e je m p lifica este p rin c ip io . E l s o d io (N a ) tiene
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2 6 L a v i d a d e l a c é l u l a
Guardián de la salud
¿Es bueno el chocolate para la salud?
Muchas fru tas y verduras contienen las v itam inas C y E, así 
como otros antioxidantes. Pero, ¿sabias q ue el chocolate 
(F IG U R A E2-3) también contiene antlox ldantcs, así q ue bien 
podría ser un a lim ento sano? Aunque e s extrem adam ente 
difícil hacer experim entos contro lados sobre los efectos de 
los antlox ldantcs e n la alim entación hum ana, hay evidencias 
de q ue las d ie tas con abundantes an tlox ld an ies pueden ser 
beneficiosas. Por e jem plo, la baja Incidencia d e enfermedades 
cardiacas en tre los franceses se ha atribu ido en parte a los 
antlox ldan tesdel v ino , que m uchos habitantes d e Francia 
consum en regularm ente. Adem ás, com en m uchas m ás frutas 
y verduras que los estadounidenses.
Ahora, de form a sorprendente, los investigadores nos 
han dado una excusa para com er choco la te sin sentim os 
cu lpables. La co coa (el p o lvo oscuroy am argo q ue proviene 
de las sem illas d e las va inas d e l ca cao ; véase el detalle en la 
figura E2-3) contiene grandes concentraciones d e flavonoldes, 
potentes antlox ldantcs relacionados quím icam ente con los 
antloxldantes del v ino . Todavía no se han realizado estudios 
para determ inar s i com er grandes cantidades de chocolate 
reduce en efecto e l riesgo de cáncer o de enferm edades 
cardiacas, pero sin duda q ue no faltarán vo luntarlos para 
esta investigación. Ten presente que los choco la tes más 
pecam inosam ente sabrosos tienen tam bién m ucha grasa 
y azúcar, y q ue adqu ir ir sobrepeso p o r co m e r demasiados 
contrarrestaría los efectos positivos d e la cocoa en polvo . S in 
em bargo, |k>s “chocoadictos* delgados tienen m otivos para 
despreocuparse y d isfrutad
£
A * '
%
k F IG U R A E2-3 C h o c o la t e La cocoa (detalle) proviene de los 
áranos q ue guardan las vainas d e l árbol del cacao, q ue crece en 
fas reglones tropicales del continente americano.
só lo u n e lectrón e n su capa extem a y e l c lo ro (C l ) tien e siete 
en su ú lt im a capa , c o n lo q ue le fa lta u n e lectrón p a ra llenarla 
(F IG U R A 2-Sa).
E J so d io puede estab ilizarse s i cede un e lectrón d e su capa 
externa a l clo ro . Es ta reacción tam b ién lle n a la capa extem a del 
clo ro . Los átom os q u e ced ieron o aceptaron electrones quedan 
cargados y se lla m a n io n e s . Pa ra fo rm ar c lo ru ro d e sodio , el so ­
d io cede u n e lectrón y se convierte e n un ió n so d io co n carga 
p os itiva ( N a ' ) , m ien tras q u e e l c lo ro acepta el e lec trón y se co n ­
vierte e n un ió n d o ro c o n carga negativa ( C l - ).
E l s o d io y e l d o ro d e l N a C l se m an tien en un idos por e n ­
la ce s ió n ic o s : la a tra cd ó n e léctrica en tre ion es co n carga positiva 
y negativa (F IG U R A 2-5b). Lo s en laces ión icos en tre iones d e s o ­
d io y d o ro dan p o r resu ltado cristales d ispuestos e n pares orde-
T ipo T ipo d e interacción Ejem plo
En lace Iónico Se transfiere un electrón, esto crea Iones 
positivo y negativo que se atraen uno al otro
CCurre entre Iones sodo (Na*)y cloro (Cl )e n la sal 
de mesa (NaCl)
En lace covalonto Se comparten los electrones
No p o la r Se comparten por Igual Ocurre entre dos átomos d e oxígeno en e l gas 
oxíoeno (0 >)
P o la r Se comparten desigualmente CKurre entre los átomos d e hidrógeno y oxigeno 
de la molécula de agua (H,C8
En lace de 
hidrógeno
Un hidrógeno ligeramente positivo de una 
molécula polar atrae el polo ligeramente 
negativo de una molécula polar cercana
Ccurre entre moléculas d e agua; cargas ligeramente 
positivas de átomos de hidrógeno atraen cargas 
ligeramente negativas de átomos d e oxígeno en 
nx>léculas adyacentes
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