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Átomos, moléculas y los problemas del oxígeno

Alimentos ricos en energía contienen carbono reducido

La actividad de las plantas verdes comienza con agua y dióxido de carbono. Ni el agua ni el dióxido de carbono contienen energía accesible para nosotros. Pero después de que la actividad de las plantas haya transformado el agua y el dióxido de carbono en carbohidratos, los mismos átomos de carbono, oxígeno e hidrógeno se vuelven muy abundantes en energía.

¿Qué es lo que ha pasado en las plantas? ¿En qué consiste la diferencia en energía entre el dióxido de carbono y los carbohidratos?

La respuesta a esta pregunta tiene dos partes. La primera tiene que ver con los diferentes niveles de estructura en los compuestos. La segunda, con los diferentes ámbitos de los átomos de carbono individuales.

Las moléculas gaseosas que pululan caóticamente en el aire tienen un nivel menor de estructura y un nivel mayor de desorden (entropía) que los átomos de carbono, fijos y ordenados en las cadenas de los carbohidratos. Cuando las plantas captan los átomos individuales en la forma de moléculas de dióxido de carbono y los juntan en estructuras grandes y bien organizadas (los carbohidratos), el proceso va de alta a baja entropía. En esto consiste la parte estructural de la explicación sobre la diferencia entre dióxido de carbono y los carbohidratos.

Observemos ahora el ámbito de un átomo individual de carbono. En la molécula de dióxido de carbono, el átomo de carbono está directamente enlazado con dos átomos de oxígeno. El hecho de estar conectado al oxígeno significa que el átomo de carbono se encuentra en un estado energético muy bajo. Como el átomo de carbono en el dióxido de carbono está rodeado solo por dos átomos de oxígeno, el átomo de carbono está oxidado, es decir, ha pasado por una oxidación. Lo mismo vale para los átomos de hidrógeno de la molécula de agua. La regla básica es que el contenido energético de átomos oxidados esté bajo. Las plantas comienzan con compuestos que tienen un nivel alto de entropía y que, habiendo sido oxidados, tienen una energía baja.

La energía de la luz solar se utiliza para cambiar el entorno del átomo de carbono. El cambio se produce en dos partes. Inicialmente, los átomos individuales de carbono están de- sorganizados y durante el proceso se juntan para formar estructuras organizadas. En segundo lugar, la mitad de los átomos de oxígeno que rodean los carbonos se cambian por átomos de hidrógeno y los de oxígeno que quedan también se enlazan con los de hidrógeno. Cuando la influencia del oxígeno sobre el carbono disminuye, este experimenta un proceso que se llama reducción y que es el opuesto al de oxidación.

La reducción implica transferencia de átomos de hidrógeno

La reducción, es decir, el aumento de energía que se realiza cuando el dióxido de carbono se transforma en carbohidratos, consiste en un descenso del número de átomos de oxígeno alrededor del carbono y un ascenso del número de átomos de hidrógeno enlazados al mismo carbono. Este cambio requiere de energía. Asimismo, se necesita hidrógeno.

Cuando las plantas reducen dióxido de carbono a carbohidratos, los dos átomos de hidrógeno habrán sido tomados de una molécula de agua. De la molécula de agua solo habrá quedado el oxígeno, que la planta expulsará.

La transferencia de hidrógeno se realiza normalmente mediante un portador de hidrógeno. Cuando se trata de átomos de hidrógeno que deben ser entregados para realizar una reducción, el portador es una molécula bastante compleja que en su estado cargado (con 2 hidrógenos) se llama NADPH. Una vez realizada la proporción de los hidrógenos (que cada uno consiste en un protón y un electrón), el portador deviene NADP⁺ y estará listo para encontrar, enlazar y entregar otros dos hidrógenos.

La energía de los electrones depende de sus posiciones

El átomo de carbono del dióxido de carbono se compone de un núcleo con seis protones (siempre) y seis neutrones (en la mayoría de los casos) y alrededor de este núcleo hay las capas de seis electrones (siempre). Los átomos en la forma oxidada y en la forma reducida tienen exactamente la misma composición. Sin embargo, hay una diferencia enorme entre sus estados energéticos. La explicación de esta diferencia la hallaremos en las posiciones de los electrones.

Las diferentes capas están numeradas. La capa más profunda tiene el número 1, la próxima, el 2, y así sucesivamente. Las capas tienen posibilidad de variación, siendo creciente la cifra de posibles variaciones en función del número de posición de la capa. La primera capa tiene solo una variedad, en la segunda capa hay cuatro variedades, en la tercera, nueve variedades. Cada variedad en cada capa define un orbital.

Los electrones prefieren agruparse por pares

Los electrones están cargados negativamente y las cargas iguales se repelen. Si imaginamos la construcción de elementos, uno tras otro, agregando cada vez un protón y un electrón, los electrones, al inicio, van a ubicarse uno lejos del otro.

Pero los electrones no solo tienen carga, sino que también tienen otra característica que lo cambia todo: el espín, que puede presentarse en dos direcciones diferentes, hacia arriba y hacia abajo. Estas dos direcciones se atraen la una a la otra y por eso los electrones se ubican en pares de electrones.

En la construcción imaginaria de los elementos paso a paso, los orbitales con la misma energía primero se llenan con electrones individuales. Acto seguido, los electrones “recién llegados” van a colocarse en pares, donde estos dos electrones tendrán su espín opuesto.

Cada orbital solo puede acoger un par de electrones. La primera capa con su único orbital, por tanto, puede acoger solo un par de electrones, es decir, 2 electrones en total. La segunda capa con sus cuatro orbitales, puede hacerse cargo de cuatro pares de electrones, por lo que tendrá 8 electrones en total, y así sucesivamente. Los elementos que constituyen la mayor parte de las moléculas en nuestro cuerpo no contienen más electrones de los que caben en las dos primeras capas.

Una vez emparejado un electrón con otro electrón de espín opuesto, los dos permanecen estables, sin querer “hacerse” con otros electrones. Por esta razón, los electrones que forman cada pareja quieren ubicarse lo más lejos posible el uno del otro.

Cuando los átomos se unen a moléculas, los electrones se resitúan

Los átomos pueden conseguir ubicar sus electrones en estados energéticos más bajos, al coordinarlos con electrones de otros átomos. De esta manera, se producen las moléculas. Alrededor del núcleo de una molécula, se origina también un sistema de orbitales poblado de pares de electrones según, más o menos, los mismos principios que en el caso de los átomos. Pares de electrones en algunos de los orbitales de la molécula aglutinan la molécula como pares de electrones enlazantes que forman enlaces químicos.

Sin embargo, en las moléculas construidas desde los propios átomos puede producirse una cierta diferencia entre las ganancias que los átomos han obtenido al convertirse en compuestos. Esto tiene que ver con las distintas posibilidades que los electrones tienen para reorganizarse en los orbitales de las moléculas.

Entonces, los pares de electrones enlazantes dentro de la molécula desempeñan el papel de aglutinante entre los átomos que forman la molécula. También la distinta organización de los pares de electrones que se enlazan a las diferentes moléculas explica mucho de las variaciones del contenido energético. Por ejemplo, entre el dióxido de carbono y los carbohidratos.

El oxígeno tiene ansia de electrones

El oxígeno tiene una fuerte tendencia a atraer los electrones exteriores de otros átomos. Un par de electrones compartidos por un átomo de carbono y otro de oxígeno se encuentran más cerca del núcleo del oxígeno que del núcleo del carbono. La explicación de este comportamiento del oxígeno es sencilla: el átomo del oxígeno tiene 8 protones en su núcleo (cargados positivamente) que arrastran con mucha más fuerza al par de electrones enlazados que los 6 protones del núcleo del carbono. Un equipo formado por ocho personas en el juego de tirar de la cuerda ganará a otro compuesto por seis miembros, si todos los participantes tienen aproximadamente la misma fuerza. El oxígeno va a ganar al carbono en la competición (¡injusta!) por apoderarse del par de electrones enlazados. Por eso, los electrones que comparten el oxígeno y el carbono son atraídos con mayor intensidad hacia el oxígeno y van a encontrarse más cerca de su núcleo.

Lo que ha pasado con los electrones durante el cambio de átomos libres de carbono y oxígeno puede compararse con lo que ocurre con una piedra que rueda montaña abajo. En los dos casos, se ha alcanzado un estado de energía más bajo. La piedra que rueda montaña abajo pierde energía potencial almacenada a medida que se acerca al centro de la Tierra. Para conseguir que la piedra vuelva arriba hay que añadir energía para trasladarla o empujarla. Para que los electrones del carbono que han sido fuertemente arrastrados hacia el núcleo del oxígeno retornen hay que aplicar, igualmente, energía. Las plantas verdes utilizan energía solar para arrancar los electrones del carbono de las garras del oxígeno.

Los pares de electrones quieren alejarse el uno del otro y forman tetraedros

Los pares de electrones en las moléculas trazan una disposición para situarse lo más lejos posible el uno del otro. Que sean precisamente pares de electrones los que forman la geometría alrededor de los átomos en las moléculas tiene una importancia enorme para las características de los bloques de construcción de la vida.

Las moléculas constituidas por carbono y oxígeno no tienen más orbitales que se defiendan con cuatro pares de electrones en la segunda capa alrededor de cada núcleo de oxígeno y carbono. Como cuatro pares de electrones van a encontrarse lo más lejos posible los unos de los otros, una formación geométrica con cuatro esquinas será el patrón común para la organización espacial de los átomos en carbohidratos, grasas y proteínas. La estructura geométrica simétrica de cuatro esquinas se denomina tetraedro; es por ello que los enlaces alrededor del oxígeno y el carbono a menudo se hallan en una formación tetraédrica. A partir de esta regla general de formación tetraédrica, se observa si el carbono o el oxígeno forman un enlace doble, es decir, un enlace con dos pares de electrones.

Enlaces de pares de electrones unen átomos a moléculas

La mayor parte de las sustancias que aparecen en el estudio de los procesos de nutrición y entrenamiento consisten más bien en moléculas que en átomos individuales. Además, muchas de estas moléculas son muy grandes; pueden estar constituidas por cientos y miles de átomos. Y cuando se trata de las moléculas más grandes ya es una cuestión de cientos de miles de átomos enlazados por pares de electrones.

En un enlace entre dos átomos del mismo elemento, los dos núcleos emplean la misma atracción sobre el par de electrones que están enlazando y este par de electrones va a encontrarse exactamente a la mitad de la distancia entre los núcleos. Esto se puede observar en los pares de electrones que conectan los carbonos en las cadenas de carbono de las grasas y los hidratos de carbono.

En un enlace entre átomos de diversos elementos, de la diferencia en el número de protones en los núcleos y las distintas colocaciones de sus capas de electrones resultan las variaciones en los campos de fuerza y potencia de atracción en cuanto al par de electrones compartido. La consecuencia es un desplazamiento del par de electrones que enlazan a uno de los núcleos. Este núcleo va a recibir más carga negativa de los electrones que son atraídos hacia allí.

Un enlace químico donde el par de electrones es claramente desplazado hacia uno de los dos átomos se denomina enlace polar.

Los enlaces químicos se indican con una barra en las fórmulas de estructura

Para expresar una molécula se marcan los símbolos de los elementos de que está compuesta, más una barra en cada posición donde hay un par de electrones enlazando. El resultado es una fórmula estructural. Las barras entre el oxígeno (O) y los hidrógenos (H) en la molécula del agua simbolizan, entonces, los pares de electrones enlazados. Los electrones de la capa interior (la primera capa) no se señalan y, normalmente, tampoco los electrones que no participan en enlaces. No obstante, los pares de electrones que no participan en enlaces tienen importancia geométrica por influir en la colocación de los pares enlazados y hacer angular la molécula.

Una manera alternativa de describir la composición de una molécula es simplemente indicar cuántos átomos de cada elemento hay en ella. El número de átomos de un elemento se indica con un número subíndice inmediatamente después del símbolo del elemento. Si hay solo un átomo de un elemento, es suficiente especificar el símbolo de este elemente sin subíndice. Resulta una fórmula molecular. La fórmula molecular del agua es H₂O.

Entre las moléculas de agua se forman puentes de hidrógeno

La colocación definitiva de los pares de electrones enlazados en una molécula es decisiva para las características y las condiciones energéticas del compuesto. Las moléculas con desplazamientos grandes de los pares enlazados y una estructura angulada se vuelven polares. El ejemplo más importante es la molécula del agua.

En la molécula del agua es el oxígeno el que atrae los pares compartidos de electrones como consecuencia de la carga más elevada de su núcleo. Los núcleos de los átomos de hidrógeno, por otro lado, se vuelven más expuestos y forman un polo positivo que corresponde al polo negativo del oxígeno.

Cuando varias moléculas se ubican una al lado de la otra, el polo positivo de una de ellas se dirige hacia el polo negativo de la otra, resultando una red de atracciones intermoleculares. Por eso, el agua es un líquido con una tendencia muy fuerte a agregarse. Esto explica por qué el agua y el aceite no se mezclan. Las moléculas del aceite, simplemente, no pueden introducirse en la red de fuertes atracciones del agua.

Las atracciones que se forman como consecuencia de la polaridad de las moléculas del agua se denominan puentes de hidrógeno. Los átomos de hidrógeno de la molécula de agua han sido parcialmente desvestidos de sus capas electrónicas y por eso atraen un átomo de oxígeno de una molécula vecina.

Así pues, existen puentes de hidrógeno entre las moléculas, por lo que hablamos de atracciones intermoleculares.

Los puentes de hidrógeno no solo explican las características del agua, sino que también son importantes para comprender la estructura de varias moléculas biológicas, como las proteínas y el ADN.

Los radicales libres tienen un electrón impar

No todas las moléculas tienen un número par de electrones y, consecuentemente, no siempre se darán los requisitos para que todos los electrones puedan emparejarse.

Si un átomo o una molécula tiene un electrón impar, se llama radical libre. Dado que existe una tendencia muy intensa de los electrones para disponerse en pares, el electrón impar en el radical libre va a intentar atraer un electrón de su entorno, es decir, desde otra molécula en la célula.

Los radicales libres pueden destruir moléculas de su entorno

Por ello, los radicales libres pueden oxidar otras moléculas de la célula, lo que significa que estas moléculas van a sufrir un cambio en su función hasta destruirse. Los radicales libres, pues, descomponen otras moléculas de la célula. Especialmente, están expuestas las moléculas con electrones sueltos.

Como los electrones constituyen los enlaces químicos, los radicales libres pueden provocar cambios profundos al atraer electrones de moléculas cercanas.

Los antioxidantes proporcionan electrones a los radicales libres

Para impedir que los radicales libres roben electrones de moléculas importantes en la célula, es posible suplementar moléculas con electrones sueltos que pueden satisfacer el apetito por estos de los radicales libres. Los compuestos con electrones sueltos que se suplementan para salvar las moléculas del cuerpo se designan antioxidantes. Este término se refiere al hecho de que estas moléculas impiden la oxidación de las moléculas propias de la célula. ¡Sin embargo, el antioxidante va a ser expuesto a una oxidación! Por esta razón, el término “antioxidante” es algo engañoso, puesto que no impide la oxidación en general, sino que se trata de un desplazamiento de los sustratos de la oxidación, desde las moléculas esenciales del organismo a compuestos que son suministrados al cuerpo.

Los antioxidantes en los alimentos tienen la misma función que los ánodos de sacrificio que se ponen en construcciones de hierro que están en contacto permanente con el agua, tales como calentadores de agua y casco de barcos. El ánodo de sacrificio suministra electrones a los agentes oxidantes y, de esta manera, se evita que los electrones sean arrebatados al hierro y que este se corroa. Del mismo modo, los antioxidantes proporcionan electrones a los radicales libres para salvar los electrones de las propias moléculas del organismo.

Los antioxidantes son moléculas con electrones sueltos. Ejemplos de antioxidantes son las vitaminas C y D. Una función importante de estas vitaminas, por lo tanto, es la de procurar electrones fácilmente accesibles a los radicales libres y así proteger las moléculas importantes y sensibles del cuerpo.

El estrés oxidativo significa que hay un exceso de radicales libres en el cuerpo

Cuando el oxígeno es necesario para liberar la energía a partir de moléculas ricas en esta hablamos de metabolismo aeróbico. El metabolismo aeróbico es una forma muy eficiente de utilización de energía, pero supone la presencia de oxígeno, que siempre tiene ansia de electrones. La célula emplea una estrategia para utilizar este afán de electrones en su propio beneficio.

Cuando el esfuerzo supera un cierto límite, la capacidad de manejar todo el oxígeno que absorbe el pulmón y se transporta a través de la sangre, no es suficiente. Entonces el oxígeno se sirve de sus propias rutas, por ejemplo, formando el radical OH, que tiene un electrón impar. En estos casos, el organismo se expone a estrés oxidativo.

Además, la molécula de oxígeno es un radical libre porque tiene electrones impares a pesar de que su número de electrones es 8. La explicación de esta eventualidad no forma parte del objetivo de este libro, pero hay que incidir en que la utilización del oxígeno, aunque proporciona grandes beneficios, tiene su parte negativa. Así pues, el estrés oxidativo se relaciona con la enfermedad de Alzheimer y también con el envejecimiento en general.

Entre los ensayos que explican por qué una ingesta calórica reducida (con una ingesta retenida y alta en vitaminas, minerales y otras compuestos clave, restricción calórica, RC) tiene como consecuencia un envejecimiento más lento, se incluyen teorías en la línea de que un consumo más bajo de energía precisa de una utilización más alta de oxígeno, que, a su vez, disminuye el nivel de radicales libres y, por tanto, el organismo se beneficia.