Fundamentos Químicos y Biológicos: Agua, pH, Aminoácidos y Proteínas

Propiedades del Agua y Conceptos Químicos Fundamentales

El agua es esencial para la vida y el planeta:

• Porcentaje de agua en el cuerpo humano: 75%
• Porcentaje de agua en la Tierra: 71%
• pH neutro del agua pura: 7

Enlaces Químicos

El enlace iónico se forma cuando dos átomos de diferente electronegatividad interactúan, formando un compuesto. Por otro lado, el agua (H₂O) presenta dos enlaces covalentes, ya que el hidrógeno (H) y el oxígeno (O) son no metales con electronegatividades altas.

Reacciones Fundamentales

• Metal + Agua/Otros → Base
• No metal + Agua/Otros → Ácido

El pH y los Sistemas Amortiguadores

Definición de pH

El pH indica la concentración de hidrógenos libres (iones H⁺) en una solución. Cuantos más hidrógenos libres tenga disueltos, más ácido será su comportamiento.

Ejemplos de pH

• Sangre: ~7.4
• Piel y Cabello: ~5
• Jabones: 9+
• Refresco de Cola: ~4.3
• Estómago: ~4 (puede ser más bajo, entre 1.5-3.5)

Amortiguadores de pH (Buffers)

Los tres principales sistemas amortiguadores de pH en las células vivas son:

• Sistema Bicarbonato: Principalmente en el plasma sanguíneo (Ej: NaHCO₃ - Bicarbonato de sodio).
• Sistema de Proteínas: Actúan como buffers en el citoplasma y la sangre (gracias a sus aminoácidos).
• Sistema Fosfato: Importante buffer intracelular (Ej: H₂PO₃ - Ácido fosforoso, aunque usualmente se refiere al sistema H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻).

Fuerzas Intermoleculares

Las fuerzas intermoleculares más comunes incluyen:

• Fuerzas de Van der Waals
• Puentes de Hidrógeno

Los puentes de hidrógeno son particularmente fuertes y difíciles de romper, lo que confiere propiedades especiales a sustancias como el agua.

Biomoléculas Esenciales

Las principales categorías de biomoléculas son:

• Aminoácidos
• Proteínas
• Enzimas (un tipo de proteína)
• Lípidos
• Carbohidratos
• Ácidos Nucleicos

Aminoácidos

Los aminoácidos son las unidades monoméricas que forman las proteínas. Se caracterizan por tener dos grupos funcionales principales:

• Un grupo amino (-NH₂)
• Un grupo carboxilo (-COOH), también llamado ácido carboxílico.

Tipos de Aminas

Las aminas se clasifican según el número de sustituyentes orgánicos unidos al nitrógeno:

• Amina Primaria: R-NH₂ (Ejemplo: CH₃-NH₂, Metilamina)
• Amina Secundaria: R₂-NH
• Amina Terciaria: R₃-N

Estructura y Nomenclatura

La estructura general de un ácido carboxílico es R-COOH.

  O
 //
R-C
 \ 
  OH

Los aminoácidos forman polímeros largos llamados polipéptidos, que a su vez constituyen las proteínas. Por lo tanto, el monómero de la proteína es el aminoácido (también llamado a veces monopéptido en este contexto).

Los aminoácidos son sustancias biogénicas. En su nomenclatura, se utiliza la letra griega alfa (α) para indicar la posición del grupo amino respecto al grupo carboxilo (en el carbono adyacente al grupo -COOH). Ejemplos:

• Ácido α-aminopropanoico (Alanina)
• Ácido α,ε-diaminocaproico (Lisina - el ejemplo original 'alfa beta diamino pentanoico' es menos común o podría ser ambiguo)

Isomería en Aminoácidos

• Isomería Óptica: Describe cómo la molécula desvía el plano de la luz polarizada (hacia la derecha - Dextrógiro, o hacia la izquierda - Levógiro). Relacionado con la presencia de carbonos quirales.
• Otros tipos de Isomería Estructural: De posición, geométrica (cis/trans), funcional.

Propiedades de los Aminoácidos

1. Carácter Anfótero: Pueden actuar como ácido (donando H⁺ del -COOH) o como base (aceptando H⁺ en el -NH₂). Una sustancia anfótera es aquella que puede reaccionar ya sea como un ácido o como una base. Esto permite la reacción de neutralización interna o con otras sustancias.
2. Capacidad de Polimerización: Se unen entre sí mediante enlaces peptídicos para formar polipéptidos y proteínas.

Proteínas

Las proteínas son macromoléculas compuestas por cadenas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Se clasifican según su estructura y función:

Proteínas Fibrosas

• Características: Forman cadenas largas, continuas, sin ramificaciones. Son insolubles en agua.
• Ejemplos: Queratina (cabello, piel, uñas, plumas, cuernos), Colágeno (tejido conectivo), Elastina (tejido elástico), Miosina (músculo).

Proteínas Globulares

• Características: Estructuras tridimensionales más complejas, compactas, generalmente solubles en agua.
• Ejemplos: Enzimas, Anticuerpos, Hormonas (algunas), Albumina (huevo, sangre), Globulinas (sangre), Hemoglobina (transporte de oxígeno). Se encuentran en alimentos como carne, leche, huevos.

Clasificación por Composición

• Proteínas Simples: Compuestas únicamente por α-aminoácidos (Ej: Albúmina, Globulina).
• Proteínas Conjugadas: Contienen un grupo no proteico (grupo prostético) además de la cadena polipeptídica.

Enlaces Peptídicos

Son los enlaces covalentes que se forman entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino de otro, con la liberación de una molécula de agua. Estos enlaces unen los aminoácidos para formar las cadenas polipeptídicas de las proteínas.

Aminoácidos Esenciales Mencionados

Lista de algunos aminoácidos (varios de ellos esenciales para humanos):

• Leucina
• Isoleucina
• Lisina
• Metionina
• Fenilalanina
• Triptófano
• Treonina
• Valina