CO y CO₂: Dos Gases, Dos Riesgos, Dos Mecanismos Biológicos

Dos gases, un solo átomo de diferencia

El monóxido de carbono (CO) y el dióxido de carbono (CO₂) son dos compuestos simples de carbono y oxígeno, pero sus propiedades fisiológicas difieren radicalmente. Mientras que el CO es un gas altamente tóxico en concentraciones muy bajas, el CO₂ es un gas producido constantemente por nuestro metabolismo, tolerado dentro de ciertos límites. Sin embargo, la única diferencia estructural entre estas dos moléculas es la presencia de un átomo de oxígeno adicional en el CO₂.

Física del enlace químico

El CO contiene solo dos átomos (carbono y oxígeno), por lo que su geometría es lineal (un solo eje de alineación). Los átomos están alineados en línea recta: C–≡–O (dos átomos alineados).

El CO₂, por otro lado, también es lineal pero simétrico y no polar, con dos enlaces dobles: O=C=O (tres átomos en línea recta).

• Cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividad, más se distorsionará la nube de electrones hacia el átomo más electronegativo, generando un enlace polar.
• Los enlaces en CO y CO₂ tienen la misma diferencia de electronegatividad (0.89), pero la geometría molecular marca la diferencia. El CO es polar (momento dipolar neto), el CO₂ es no polar (momento dipolar nulo por simetría).
• Cuanto más corto es un enlace, más fuerte es, lo que significa que se necesita más energía para romperlo.
• En el CO, el enlace C≡O es muy corto (~112.8 pm) y tiene una energía de enlace alta (~1076 kJ/mol), característica de un enlace triple.
• En el CO₂, los enlaces C=O son más largos (~116 pm) y más débiles que los del CO, aunque siguen siendo relativamente estables (energía ~805 kJ/mol).

Esta diferencia estructural altera la reactividad química, la interacción con las biomoléculas y, por lo tanto, la toxicidad fisiológica.

Toxicidad relacionada con la afinidad por la hemoglobina

La toxicidad del CO proviene de su afinidad muy fuerte por la hemoglobina, aproximadamente de 230 a 300 veces mayor que la del oxígeno. Una vez unido a la hemoglobina para formar carboxihemoglobina (HbCO), el CO impide que el O₂ se fije y altera su liberación en los tejidos, provocando una hipoxia severa. Con un 0.1% (1000 ppm) de CO en el aire, una persona puede perder el conocimiento en cuestión de minutos.

Por otro lado, el CO₂ no se fija a la hemoglobina de la misma manera. Se produce en las mitocondrias durante la respiración celular, se transporta parcialmente en forma de bicarbonato \( \text{HCO₃⁻} \) y se expulsa por los pulmones. Este gas incluso juega un papel clave en la regulación del pH sanguíneo.

CO₂: un gas fisiológico… en dosis controladas

Aunque es un desecho metabólico, el dióxido de carbono no es intrínsecamente tóxico en bajas concentraciones. Sin embargo, cuando supera el 2-3%, altera el equilibrio ácido-base al formar ácido carbónico \( \text{CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻}\), lo que lleva a una acidosis respiratoria. Solo por encima del 5-8% de CO₂ en el aire se observan efectos neurológicos graves y riesgo vital.

¿Por qué varias personas pueden dormir en una habitación cerrada sin problemas?

El CO₂ se vuelve tóxico para el organismo humano a partir del 2-3%, con efectos graves y potencialmente mortales por encima del 5% en el aire respirado.

Un adulto en reposo expulsa aproximadamente 200 mL de CO₂ por minuto. En 8 horas de sueño, cada persona genera aproximadamente 90–100 L de CO₂ por noche.

Tomemos una habitación de 15 m² con una altura de techo de 2.5 m, el volumen total = 37,500 L. El CO₂ expulsado por una persona representa: \(\frac{100\ \text{L}}{37\,500\ \text{L}} = 0{,}0027 = 0{,}27\%\) Adición de 0.27% de CO₂ en la habitación durante una noche completa, sin ventilación.

El aire exterior contiene ~0.04% de CO₂. En una habitación cerrada con 2 personas, el nivel puede subir entre 0.2% y 0.5% (2000–5000 ppm). Este nivel sigue estando por debajo de los umbrales patológicos (los primeros síntomas de hipercapnia comienzan alrededor del 2-3%).

Incluso con varias personas, el CO₂ sigue estando muy por debajo de los niveles tóxicos durante una noche típica, a menos que la habitación sea extremadamente pequeña, completamente hermética y sin ninguna fuga de aire (lo cual es raro).

Ejemplos donde una ligera diferencia estructural o atómica lleva a efectos radicalmente diferentes

Etanol (C₂H₅OH) vs. Éter Dimetílico (CH₃OCH₃)

• El etanol es potable, metabolizado por el hígado.
• El éter dimetílico es un gas anestésico tóxico en dosis altas, no metabolizado por las mismas vías.

Glucosa vs. Galactosa, misma fórmula bruta (C₂H₆O)

• En la glucosa, el grupo –OH del carbono 4 está en el lado derecho. En la galactosa, el mismo –OH está en el lado izquierdo.
• La glucosa es la principal fuente de energía celular.
• La galactosa requiere una enzima específica (GALT) para ser metabolizada; su acumulación causa galactosemia, una enfermedad grave en los bebés.

¡Cuando la química molecular se vuelve impredecible!

Una modificación aparentemente menor en la estructura molecular – como la adición o eliminación de un solo átomo – puede llevar a efectos bioquímicos profundamente diferentes, incluso opuestos.

Esto muestra cuánto las propiedades químicas emergen de la estructura molecular fina. Y subraya por qué la predicción de las interacciones químicas y biológicas es compleja: depende no solo de los elementos presentes, sino de su disposición espacial, polaridad, simetría, orbitales moleculares…