Por qué hay carbono en todas partes

Hola, soy Hank. Supongo que estás aquí porque te interesa la biología, lo cual es lógico porque, como cualquier buena canción de 50 Cents, la biología trata del sexo y de no morir, y todos los seres humanos deberían estar interesados en el sexo y en no morir. Mi método para enseñar este curso de biología es distinto de los métodos que ya conoces. Por ejemplo, no voy a pasar la primera clase hablando de cómo voy a enseñar la clase, simplemente voy a empezar a enseñar la clase. En primer lugar, no te preocupes si voy demasiado rápido, eso es lo bueno de que esto sea un video: puedes volver atrás y escuchar lo que he dicho una vez más. Te prometo que no me molestará. Es más: Te animo a que lo hagas a menudo. Un gran profesor me dijo una vez que para entender cualquier tema, solo necesitas saber un poco del nivel de complejidad que está justo debajo de ese tema. El nivel de complejidad que está justo por debajo de la biología es la química o, si eres bioquímico, probablemente dirías que es la bioquímica. De modo que tenemos que aprender un poco de química y ahí es donde vamos a empezar. Soy una colección de compuestos orgánicos llamada Hank Green. Un compuesto orgánico es cualquier compuesto químico que contiene carbono y el carbono es asombroso, ¿por qué? Por muchas razones, te voy a dar tres. En primer lugar, el carbono es pequeño. No tiene tantos protones y neutrones, casi siempre son doce, rara vez tiene algunos neutrones extra y en ese caso es C-13 o C-14. Por eso, el carbono no ocupa mucho espacio y puede adoptar formas elegantes. Puede formar anillos, dobles o incluso triples enlaces, puede formar espirales, láminas y todo tipo de cosas realmente impresionantes que las moléculas más grandes nunca conseguirían hacer. El carbono es como un gimnasta olímpico, puede hacer cosas extraordinarias y hermosas porque es pequeño. En segundo lugar, el carbono es amable. No es como otros elementos que se desesperan por ganar o perder o compartir electrones para conseguir el número exacto que quieren, no, el carbono sabe lo que es estar solo así que no anda por ahí suplicando y diciendo: “no puedo vivir sin tus electrones”, como lo hacen el cloro o el sodio. Por eso el cloro te destroza las entrañas si lo respiras en forma gaseosa y por eso el sodio metálico si se ingiere explota. El carbono, en cambio, quiere más electrones pero no va a matar por ellos. Es fácil trabajar con él, hace y rompe enlaces como un adolescente en el centro comercial, pero nunca guarda rencor. En tercer lugar, al carbono le encanta unirse a otros elementos porque necesita cuatro electrones extra, así que se enlazará con cualquiera que esté cerca y, en general, se enlazará con dos, tres o cuatro al mismo tiempo. El carbono puede unirse a muchos elementos: hidrógeno, oxígeno, fósforo y nitrógeno, también se une a otros átomos de carbono. Puede formar infinitas configuraciones, y por eso es el elemento central de las complicadas estructuras que forman los seres vivos, como nosotros. Como el carbono es pequeño, amable y le gusta unirse, la vida se construye en torno a él. El carbono es la base de la biología. Es tan fundamental que a los científicos les cuesta concebir una vida que no esté basada en el carbono. El silicio, que es análogo al carbono en muchos aspectos, suele pensarse como un elemento potencial para la vida extraterrestre, pero es más voluminoso y no tiene las mismas formas elegantes que el carbono. Tampoco se encuentra en ningún gas, lo que significa que la vida tendría que formarse a partir de silicio sólido, mientras que la vida en la Tierra sólo es posible porque el carbono está todo el tiempo flotando en el aire en forma de dióxido de carbono. El carbono por sí solo es un átomo con seis protones, seis electrones y seis neutrones. Los átomos tienen orbitales de electrones y necesitan o quieren tener sus orbitales llenos para ser átomos felices y completos. El primer orbital de electrones, llamado orbital S, necesita dos electrones para estar completo, luego está el segundo orbital S que también necesita dos electrones, el carbono también lo tiene completo, luego tenemos el primer orbital P que necesita seis para estar completo. Al carbono solo le quedan dos electrones, así que necesita cuatro más. El carbono forma muchos enlaces que llamamos covalentes, se trata de enlaces en los que los átomos comparten electrones. Por lo que el compuesto de carbono más sencillo, que es el metano, es un carbono que comparte cuatro electrones con cuatro átomos de hidrógeno. El hidrógeno sólo tiene un electrón, así que quiere tener su primer orbital S completo. El carbono comparte sus cuatro electrones con esos cuatro hidrógenos y esos cuatro hidrógenos comparten cada uno un electrón con el carbono, así que todo el mundo está contento. Podemos representarlo con un diagrama de puntos y rayas o diagrama de Lewis. Gilbert Lewis, que también fue el responsable de los ácidos y las bases de Lewis, fue nominado al Premio Nobel 35 veces y no ganó ninguna. Tuvo más nominaciones que nadie y ganó el mismo número de premios Nobel que todos nosotros. A Lewis le disgustaba mucho esta situación. Puede que haya sido el químico más influyente de su tiempo. Acuñó el término fotón, revolucionó las ideas sobre los ácidos y las bases, produjo la primera molécula de agua pesada y fue la primera persona en conceptualizar el enlace covalente del que estamos hablando ahora, pero era muy difícil trabajar con él. Se vio obligado a renunciar a muchos puestos importantes y también fue descartado para el Proyecto Manhattan. Así que mientras todos sus colegas trabajaban para salvar a su país, Lewis escribió una novela horrible. Lewis murió solo en su laboratorio mientras trabajaba con compuestos de cianuro después de haber almorzado con un colega más joven y carismático que sí había ganado el Premio Nobel y trabajaba en el Proyecto Manhattan. Muchos sospechan que se suicidó con el cianuro, pero el médico forense dijo que fue un ataque al corazón sin investigarlo realmente. Les conté toda esta historia porque bueno, el diagrama de Lewis que les voy a mostrar fue creado por una persona, por un genio profundamente conflictivo, no es una cosa científica abstracta que siempre haya existido. Alguien, en algún lugar, la ideó y fue una herramienta tan maravillosamente útil que hemos utilizado desde entonces. En biología, la mayoría de los compuestos pueden mostrarse en un diagrama de Lewis y una de las reglas generales para hacer estos diagramas es que algunos elementos tienden a reaccionar entre sí de tal manera que cada átomo termina con ocho electrones en su orbital más externo. A eso se le llama la regla del octeto porque estos átomos quieren completar sus octetos de electrones para estar contentos y satisfechos. El oxígeno tiene 6 electrones en su orbital externo y necesita 2, por lo que obtenemos H2O. También puede enlazarse con el carbono, que necesita cuatro, por lo que con dos enlaces dobles con dos átomos de oxígeno diferentes, se obtiene el CO2, ese molesto gas del calentamiento global y también el material del que están hechas las plantas y, por tanto, toda la vida. El nitrógeno tiene cinco electrones en su orbital externo, así es como los contamos. Hay cuatro marcadores de posición, cada uno de ellos tendría dos electrones y, al igual que la gente que sube a un autobús, prefieren empezar sin sentarse uno al lado del otro, no estoy bromeando sobre esto, realmente no se juntan hasta que tienen que hacerlo, así que los contamos. Uno, dos, tres, cuatro, cinco. Entonces, para tener la máxima felicidad, el nitrógeno se une con tres hidrógenos y forman amoníaco, o con dos hidrógenos que se desprenden de otro grupo de átomos que llamamos grupo amino y si ese grupo amino está unido a un carbono que está unido a un grupo ácido carboxílico, tienes un aminoácido. A veces los electrones se reparten por igual en un enlace covalente, como en el caso del O2, que se denomina enlace covalente no polar, pero a menudo uno de los participantes es más codicioso. En el agua, por ejemplo, la molécula de oxígeno absorbe los electrones y pasan más tiempo alrededor del oxígeno que alrededor de los hidrógenos. Esto crea una ligera carga positiva alrededor de los hidrógenos y una ligera carga negativa alrededor del oxígeno. Cuando algo tiene una carga, decimos que es polar. Tiene un polo positivo y otro negativo. Así que éste es un enlace covalente polar. Los enlaces iónicos se producen cuando, en lugar de compartir electrones, los átomos simplemente donan o aceptan un electrón de otro átomo y entonces viven felices como un átomo cargado o un ion. En general, los átomos preferirían ser neutros, pero eso no es tan importante para ellos como tener los orbitales completos. El compuesto iónico más común en nuestra vida diaria es la sal de mesa, NaCl, cloruro de sodio, pero no te dejes engañar por su delicioso sabor: el cloruro de sodio, como he dicho antes, está formado por dos elementos muy desagradables. El cloro es un halógeno o un elemento que sólo necesita un protón para completar su octeto mientras que el sodio es un metal alcalino, un elemento que sólo tiene un electrón en su octeto. Así que destrozarán alegremente cualquier compuesto químico con el que entren en contacto buscando satisfacer la regla del octeto, pero no puede ocurrir nada mejor que el encuentro del sodio con el cloro. Inmediatamente se transfieren electrones para que el sodio no tenga ese electrón extra y el cloro complete su octeto. Se convierten en Na+ y Cl- y están tan cargados que se pegan entre sí y a esa adherencia la llamamos enlace iónico. Estos cambios químicos son muy importantes: recuerda que el sodio y el cloro acaban de pasar de ser mortales a ser deliciosos. También hay enlaces de hidrógeno, que no son realmente enlaces. Recuerda el agua, espero que no te hayas olvidado del agua, el agua es importante. Como el agua está unida con un enlace covalente polar, el hidrógeno tiene una ligera carga positiva y el oxígeno tiene una ligera carga negativa, así que cuando las moléculas de agua se mueven, se pegan un poco, el hidrógeno al lado del oxígeno. Este tipo de enlace ocurre en todo tipo de moléculas, especialmente en las proteínas, y juega un papel muy importante en la forma en que las proteínas se pliegan para hacer su trabajo. Hay que tener en cuenta que los enlaces, que pueden estar escritos con guiones o líneas sólidas o sin líneas, no tienen la misma fuerza. A veces, los enlaces iónicos son más fuertes que los covalentes, aunque eso es la excepción y no la regla, y la fuerza de los enlaces covalentes varía enormemente, y la forma en que se crean y se rompen esos enlaces es muy importante para el funcionamiento de la vida. Crear y romper enlaces es la clave de la vida misma. Si ingirieras un poco de sodio metálico, también es la clave de la muerte. Ten todo esto en cuenta mientras estudias biología. Incluso la persona más sexy que hayas conocido no es más que un puñado de compuestos químicos que andan de aquí para allá en una bolsa de agua y de eso, entre otras muchas cosas, vamos a hablar la próxima vez.