Licenciatura en Nutrición - Química Biológica

La Química Biológica o Bioquímica se ocupa del estudio de las reacciones químicas que ocurren en los seres vivos, es decir, las bases moleculares de la vida. Para comprender estos procesos complejos, primero necesitamos dominar los conceptos básicos de química inorgánica y orgánica.

Esta cartilla está diseñada para brindarte los fundamentos químicos que necesitarás a lo largo de tu carrera. Los temas que abordaremos (química inorgánica, química orgánica, uniones químicas y soluciones) son esenciales para entender cómo funcionan los nutrientes a nivel molecular en el organismo.

💡 Consejo: Al estudiar química, relaciona siempre los conceptos con ejemplos prácticos del campo de la nutrición. Por ejemplo, cuando aprendas sobre ácidos, piensa en el ácido clorhídrico del estómago y su papel en la digestión.

Tabla Periódica de los Elementos

La tabla periódica es una herramienta fundamental que ordena todos los elementos conocidos según sus propiedades y estructura atómica. Fue desarrollada inicialmente por Mendeleiev y Meyer en 1869, quienes notaron patrones periódicos en las propiedades de los elementos al ordenarlos por sus pesos atómicos.

La tabla moderna se organiza según el número atómico (cantidad de protones) de cada elemento. Los elementos con propiedades similares se encuentran en columnas llamadas grupos, mientras que las filas horizontales se denominan periodos.

Las características más importantes de la tabla son:

• Los elementos de un mismo grupo tienen propiedades químicas similares
• El grupo I incluye al hidrógeno y los metales alcalinos (Li, Na, K), elementos muy reactivos que tienden a perder un electrón
• El grupo II contiene los metales alcalinotérreos (Be, Mg, Ca), menos reactivos que los del grupo I
• Los no metales se ubican principalmente a la derecha de la tabla
• Los gases nobles (grupo VIII o 0) son extremadamente estables

Cuando trabajes con la tabla periódica, recuerda que algunos elementos existen en forma diatómica en la naturaleza: $O_2$, $H_2$, $F_2$, $Cl_2$, $Br_2$ y $N_2$. Esto será importante cuando realices cálculos y balances de ecuaciones químicas.

⚠️ Importante: Para resolver ejercicios de química inorgánica, siempre ten en cuenta que elementos como oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y los halógenos se presentan naturalmente como moléculas diatómicas.

Nomenclatura en Química Inorgánica

Existen tres sistemas para nombrar compuestos inorgánicos, pero en este curso usaremos principalmente la nomenclatura tradicional. Esta utiliza terminaciones como "-oso" e "-ico" para indicar diferentes estados de oxidación.

La valencia o número de oxidación es fundamental para nombrar y escribir fórmulas químicas. Representa la capacidad de un átomo para combinarse con otros y puede ser positiva o negativa. Por ejemplo, el sodio tiene valencia +1, mientras que el oxígeno suele tener -2.

Para comprender mejor los compuestos químicos, los clasificaremos según el número de elementos que los componen:

Compuestos binarios (dos elementos):

• Óxidos básicos: combinación de un metal con oxígeno
• Anhídridos o óxidos ácidos: combinación de un no metal con oxígeno
• Hidruros o hidrácidos: combinación de un no metal con hidrógeno
• Peróxidos: contienen el enlace O-O

Compuestos ternarios (tres elementos):

• Hidróxidos: formados por la reacción de un óxido básico con agua
• Ácidos oxigenados: formados por un anhídrido con agua
• Sales: resultado de la reacción entre un ácido y una base

Al trabajar con estas fórmulas, siempre recuerda intercambiar las valencias correctamente y simplificar cuando sea posible.

💡 Consejo práctico: Para escribir fórmulas químicas correctamente, primero identifica la valencia de cada elemento, luego intercámbialas como subíndices y finalmente simplifica si es posible.

Compuestos Inorgánicos: Formulación y Nomenclatura

Ahora que conocemos las valencias de los elementos, podemos aplicar estas reglas para formar y nombrar distintos compuestos químicos:

Óxidos Básicos

Son combinaciones de un metal con oxígeno. Su fórmula general es:

METAL + O₂ → ÓXIDO BÁSICO

Para nombrarlos:

• Si el metal tiene una sola valencia: "Óxido de (metal)"
• Si tiene dos valencias: "Óxido (metal)oso" (menor valencia) o "Óxido (metal)ico" (mayor valencia)

Por ejemplo: Na₂O (óxido de sodio), FeO (óxido ferroso), Fe₂O₃ (óxido férrico)

Anhídridos u Óxidos Ácidos

Resultan de la combinación de un no metal con oxígeno:

NO METAL + O₂ → ANHÍDRIDO

Para nombrarlos:

• Con una valencia: "Anhídrido (no metal)ico"
• Con dos valencias: "Anhídrido (no metal)oso" (menor) o "Anhídrido (no metal)ico" (mayor)
• Con más valencias: se añaden prefijos "hipo-" (menor) y "per-" (mayor)

Por ejemplo: CO₂ (anhídrido carbónico), N₂O₃ (anhídrido nitroso), N₂O₅ (anhídrido nítrico)

Hidrácidos

Son combinaciones de no metales con hidrógeno en su menor valencia:

NO METAL + H₂ → HIDRÁCIDO

Se nombran como "Ácido (no metal)hídrico": HCl (ácido clorhídrico), H₂S (ácido sulfhídrico)

⚠️ Atención: Para escribir correctamente las fórmulas, primero coloca los elementos en el orden adecuado, luego intercambia valencias como subíndices y finalmente iguala la ecuación verificando que exista el mismo número de átomos en ambos lados.

Compuestos Ternarios

Los compuestos ternarios contienen tres elementos diferentes y son fundamentales en los procesos bioquímicos. Veamos los principales:

Hidróxidos

Resultan de la combinación de un óxido básico con agua:

ÓXIDO BÁSICO + H₂O → HIDRÓXIDO

Para formar un hidróxido, el metal del óxido mantiene su valencia, mientras que se incorpora el grupo hidroxilo (OH) con valencia 1. Se nombran como "Hidróxido de (metal)" o "Hidróxido (metal)oso/ico" si el metal tiene varias valencias.

Ejemplos: NaOH (hidróxido de sodio), Fe(OH)₂ (hidróxido ferroso), Fe(OH)₃ (hidróxido férrico)

Ácidos Oxigenados o Oxácidos

Se forman cuando un anhídrido reacciona con agua:

ANHÍDRIDO + H₂O → ÁCIDO

La nomenclatura sigue la del anhídrido: "Ácido (no metal)oso" o "Ácido (no metal)ico". Con más valencias se usan prefijos "hipo-" y "per-".

Algunos elementos como el fósforo, arsénico, silicio y boro pueden combinarse con distintas cantidades de agua, formando ácidos con prefijos especiales:

• Con 1 molécula de agua: ácido meta...
• Con 2 moléculas: ácido piro...
• Con 3 moléculas: ácido... (sin prefijo)

Ejemplos: H₂CO₃ (ácido carbónico), HNO₃ (ácido nítrico), H₃PO₄ (ácido fosfórico)

Sales

Son el resultado de la reacción entre un ácido y un hidróxido:

ÁCIDO + HIDRÓXIDO → SAL + H₂O

Las sales se nombran cambiando la terminación "-oso" o "-ico" del ácido por "-ito" o "-ato" respectivamente, seguido de "de (metal)". Pueden ser neutras (todos los H reemplazados) o ácidas (H parcialmente reemplazados).

💡 Aplicación en nutrición: Muchos minerales esenciales en la dieta son sales inorgánicas, como el cloruro de sodio (NaCl), fosfato de calcio (en huesos) o sulfato de hierro (suplemento para anemia).

Química Orgánica: Fundamentos

La química orgánica estudia los compuestos del carbono, elemento fundamental en todos los seres vivos. El carbono tiene características únicas que lo hacen especial:

• Es tetravalente (forma 4 enlaces)
• Puede unirse a sí mismo formando cadenas y anillos
• Forma enlaces simples, dobles o triples
• Se combina con hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y otros elementos

Estas propiedades permiten la formación de millones de compuestos diferentes, organizados en familias con propiedades similares.

Hidrocarburos

Los hidrocarburos son los compuestos orgánicos más simples, formados solo por carbono e hidrógeno. Se clasifican en:

1. Alifáticos:

   • Alcanos $enlaces C-C simples$: CₙH₂ₙ₊₂
   • Alquenos $con dobles enlaces C=C$: CₙH₂ₙ
   • Alquinos (con triples enlaces C≡C): CₙH₂ₙ₋₂
   • Alicíclicos (en forma de anillos)

2. Aromáticos:

   • Contienen anillos con enlaces alternados (ej. benceno C₆H₆)

Las fórmulas químicas pueden representarse de tres formas:

• Molecular: indica el número de átomos (ej. C₂H₆)
• Semidesarrollada: muestra los enlaces C-C $ej. CH₃-CH₃$
• Desarrollada: muestra todos los enlaces

⚠️ Para recordar: En los organismos vivos, los compuestos orgánicos son la base estructural y funcional. Las proteínas, lípidos, carbohidratos y ácidos nucleicos son todos compuestos orgánicos con funciones específicas en el metabolismo.

Nomenclatura de Hidrocarburos

Alcanos

Los alcanos son hidrocarburos saturados con enlaces simples C-C y fórmula general CₙH₂ₙ₊₂. Para nombrarlos:

1. Los cuatro primeros tienen nombres especiales:

   • CH₄: Metano
   • CH₃-CH₃: Etano
   • CH₃-CH₂-CH₃: Propano
   • CH₃-CH₂-CH₂-CH₃: Butano

2. Los siguientes se nombran con prefijos numéricos griegos que indican el número de carbonos: pentano (5), hexano (6), etc.

3. Para alcanos ramificados:

   • Identifica la cadena más larga (nombre base)
   • Numera los carbonos desde el extremo más cercano a las ramificaciones
   • Nombra los grupos laterales como radicales alquilo (metil, etil, propil...)
   • Indica la posición de cada grupo con números

Ejemplo: CH₃-CH(CH₃)-CH₂-CH₂-CH₃ es 2-metilpentano

Isomería

La isomería es un fenómeno donde compuestos con la misma fórmula molecular tienen estructuras y propiedades diferentes. Hay dos tipos principales:

1. Isomería plana:

   • De cadena: diferentes formas de unión entre carbonos
   • De posición: mismo grupo funcional en diferente posición
   • De función: diferentes grupos funcionales

2. Isomería espacial:

   • Geométrica $cis-trans$: debido a dobles enlaces o ciclos

💡 Aplicación: La isomería es crucial en nutrición. Por ejemplo, los ácidos grasos trans y cis tienen efectos muy diferentes en la salud cardiovascular, aunque tienen la misma fórmula molecular.

Alquenos, Alquinos y Aromáticos

Alquenos

Los alquenos contienen al menos un doble enlace C=C y tienen la fórmula general CₙH₂ₙ. Para nombrarlos:

• Se reemplaza la terminación "-ano" por "-eno"
• Se numera la cadena desde el extremo más cercano al doble enlace
• Se indica la posición del doble enlace con un número

Ejemplos:

• H₂C=CH₂: Eteno (etileno)
• H₂C=CH-CH₃: Propeno (propileno)
• H₃C-CH=CH-CH₃: 2-buteno

Alquinos

Los alquinos contienen al menos un triple enlace C≡C y tienen la fórmula general CₙH₂ₙ₋₂. Su nomenclatura es similar a los alquenos, pero con terminación "-ino".

Ejemplos:

• HC≡CH: Etino (acetileno)
• HC≡C-CH₃: Propino
• HC≡C-CH₂-CH₃: 1-butino

Hidrocarburos Alicíclicos

Son hidrocarburos que forman estructuras cíclicas. Se nombran añadiendo el prefijo "ciclo-" al nombre del alcano con igual número de carbonos.

Ejemplos: ciclopropano, ciclobutano, ciclopentano, ciclohexano

Hidrocarburos Aromáticos

Presentan anillos con dobles enlaces alternados. El compuesto aromático más simple es el benceno (C₆H₆). Estos compuestos tienen propiedades distintas a los hidrocarburos alifáticos.

⚠️ Nota importante: Los hidrocarburos son la base para comprender estructuras más complejas como grasas y aceites. Por ejemplo, los ácidos grasos son cadenas hidrocarbonadas con un grupo ácido, y su longitud e insaturaciones determinan sus propiedades nutricionales.

Grupos Funcionales en Química Orgánica

Los grupos funcionales son agrupaciones específicas de átomos que confieren propiedades características a las moléculas donde se encuentran. A continuación, veremos los principales grupos funcionales oxigenados:

Función Alcohol

Se forma cuando un hidrógeno de un hidrocarburo es reemplazado por un grupo hidroxilo $-OH$.

Los alcoholes se clasifican según el tipo de carbono al que está unido el grupo OH:

• Alcoholes primarios: -CH₂OH (el OH está en un carbono unido a un solo carbono)
• Alcoholes secundarios: >CHOH (el OH está en un carbono unido a dos carbonos)
• Alcoholes terciarios: >C(OH)- (el OH está en un carbono unido a tres carbonos)

Para nombrarlos, se cambia la terminación "-o" del hidrocarburo por "-ol" e indica la posición con un número cuando sea necesario.

Ejemplos:

• CH₃-OH: Metanol
• CH₃-CH₂-OH: Etanol
• CH₃-CHOH-CH₃: 2-propanol (isopropanol)

Los polialcoholes contienen más de un grupo OH y son muy relevantes en nutrición:

• Glicerol (propanotriol): componente de lípidos
• Sorbitol y xilitol: edulcorantes nutritivos

💡 Relevancia nutricional: El etanol es el alcohol de las bebidas alcohólicas. En el organismo, su metabolización compite con la de otros nutrientes y puede afectar el metabolismo hepático y la absorción de vitaminas.

Funciones Oxigenadas

Función Ácido

Los ácidos orgánicos tienen un grupo carboxilo $-COOH$ y su fórmula general es R-COOH. Se nombran cambiando la terminación "-o" del hidrocarburo por "-oico" y anteponiendo la palabra "ácido".

Ejemplos:

• HCOOH: Ácido metanoico (fórmico)
• CH₃-COOH: Ácido etanoico (acético)
• CH₃-CH₂-COOH: Ácido propanoico

Función Cetona

Las cetonas contienen un grupo carbonilo $C=O$ unido a dos radicales hidrocarburos. Su fórmula general es R-CO-R'. Se nombran cambiando la terminación "-o" del hidrocarburo por "-ona" e indicando la posición con un número.

Ejemplos:

• CH₃-CO-CH₃: Propanona (acetona)
• CH₃-CH₂-CO-CH₃: Butanona
• CH₃-CH₂-CO-CH₂-CH₃: 3-pentanona

Función Aldehído

Los aldehídos tienen un grupo carbonilo $C=O$ en un carbono terminal, con un hidrógeno. Aunque no aparecen detallados en esta sección, su fórmula general es R-CHO y se nombran cambiando la terminación "-o" del hidrocarburo por "-al".

Ejemplos:

• HCHO: Metanal (formaldehído)
• CH₃-CHO: Etanal (acetaldehído)

⚠️ Importante para nutrición: Los ácidos orgánicos son comunes en alimentos (ácido cítrico en cítricos, ácido láctico en lácteos fermentados). Las cetonas son importantes en el metabolismo, especialmente durante el ayuno cuando se producen cuerpos cetónicos como fuente alternativa de energía.