Guía – Bioelementos y biomoléculas inorgánicasProfesor Gustavo Arriagada Bustamante

Unidad 1. Estructura y función de los seres vivos.

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Objetivos ContenidosIdentificar las principales biomoléculas inorgánicas y orgánicas, y reconocer en qué estructuras se encuentran.

Definición, constituyentes, formación, propiedades físicas,químicas y biológicas de los principales elementos químicos presentes en los seres vivos.Propiedades físicas, químicas y biológicas del agua y de las sales minerales de los seres vivos.

I. Actividad inicial

De acuerdo a lo que ya sabes desde 7°y 8°responde lo siguiente:

¿Por qué flotan los objetos?

El hielo es agua en estado sólido, ¿qué implicancias biológicas puede tener que flote en el agua? Piensa en los seres vivos de un estanque...

Usualmente, las sustancias que pasan desde líquido a sólido disminuyen su volumen... pero en el agua esto no ocurre de igual manera. ¿Por qué crees tú que no les pasa algo como lo de la fotografía a nuestras venas cuando estamos en un ambiente de “congelador”.

¿Por qué moja el agua?

¿Por qué el agua no disuelve aceite?

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II. Desarrollo:

1. Los bioelementos

Los seres vivos somos conjuntos organizados de mate-ria. Todos están formados por el mismo tipo de elemen-tos, cada uno de los cuales es de un tipo único. Pero,de entre los 118 elementos químicos de la tabla perió-dica moderna, no todos se encuentran naturalmente enlos seres vivos que conocemos. A los que sí están pre-sentes los llamamos elementos biogénicos o simple-mente bioelementos. Se han identificado cerca de 30.

En relación a los bioelementos, tan importante como eltipo de elementos que están presentes en la materiaviva, es la proporción en que se encuentra cada uno.Todos son importantes por las características químicasde sus átomos, pero también por su sola presencia encantidades determinadas para el buen funcionamientode los seres vivos. Sus excesos o sus carenciaspueden ser perjudiciales.

Los cuatro bioelementos mayoritarios son el carbono(C), el hidrógeno (H), el oxígeno (O) y el nitrógeno (N).Siempre presentes (cerca del 95% en peso de la materia orgánica) son los componentes esenciales conlos que se construyen las biomoléculas: glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. Sedividen en básicos, secundarios y oligoelementos:

• Bioelementos primarios o básicos. Son los más abundantes, forman al 96% de las biomoléculas.Son C, H, O y N.

• Bioelementos secundarios o complementarios. Complementan a los básicos en las proteínas,glúcidos,etc. Forman el 3% de las biomoléculas.Azufre (S) y fósforo (P), calcio (Ca), potasio (K), sodio (Na), magnesio (Mg) y cloro (Cl) son losmás abundantes.

• Los oligoelementos1 sólo están presentes en pequeñísimas cantidades (aproximadamente el 0,1% de la materia orgánica), pero son imprescindibles para el funcionamiento biológico delorganismo. Constituyen fundamentalmente a las biomoléculas inorgánicas como: sales, ácidos ybases. Son hierro (Fe), yodo (I), manganeso (Mn), cobalto (Co), cinc (Zn), cobre (Cu), flúor (F),etc.

El hierro (Fe) y el magnesio (Mg) son oligolementos esenciales y llevan a cabo funciones muyimportantes en los seres vivos. El hierro forma parte de la hemoglobina, que es el pigmentorespiratorio que transporta al oxígeno desde los alvéolos pulmonares hasta el medio líquidointerno que rodea a los tejidos y a las células que los forman. El magnesio forma parte de laclorofila, que es el pigmento fotosintético capaz de absorber la energía luminosa necesaria paratransformar la materia inorgánica en orgánica.

Existe un grupo de oligoelementos que pueden faltar en algunos organismos, por lo que sellaman bioelementos u oligoelementos variables. Son molibdeno (Mo), Zn, titanio (Ti), vanadio(V), plomo (Pb), Co, aluminio (Al), litio (Li), etc.

2. Las biomoléculas y biomoléculas inorgánicas

Los seres vivos se componen mayoritariamente de moléculas complejas pero ¿por qué se forman lasmoléculas? Porque la mayoría de los átomos no poseen una configuración electrónica estable, y seunen entre sí mediante enlaces que tienden a hacerlos completar sus orbitales electrónicos externosacercándolos a los de los gases nobles... ¿Se acuerda de los “electrones de valencia” y de las “leyes delocteto y del dueto” en química?

1 Elemento químico que, aún presente en muy pequeñas cantidades, es indispensable para las funciones biológicas.

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Tabla 1: Algunos biolementos presentes en loshumanos

Elemento Número atómico Presenciaquímico (Z) (%)

Oxígeno (O) 8 65,0Carbono (C) 6 18,5Hidrógeno (H) 1 9,5Nitrógeno (N) 7 3,3Calcio (Ca) 20 1,5Fósforo (P) 15 1,0Potasio (K) 19 0,4Azufre (S) 16 0,3Sodio (Na) 11 0,2Cloro(Cl) 17 0,2Magnesio (Mg) 12 0,1Helio (He) 2 TrazasHierro (Fe) 26 Trazas

Dependiendo de si contienen o no carbono2, se pueden agrupar en:

• Biomoléculas inorgánicas. No contienen carbono, aunque se encuentran en los seres vivos noson exclusivas de ellos. Se trata del agua y sales minerales.

• Biomoléculas orgánicas. Siempre contienen carbono y son exclusivas de los seres vivos. Son losglúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

Algunas biomoléculas se forman por la unión de otras moléculas más pequeñas, como son muygrandes se las llama macromoléculas3.

De entre ellas, siempre se consideran polímeros4 a las proteínas, glúcidos y ácidos nucleicos.Aún cuando los lípidos también están formados por subunidades más simples y pequeñas, aveces no se los trata como polímeros.

Se agrupa aquí a las moléculas químicas que no están formadas porcadenas carbonadas.

2.1. Agua

El agua es una de las más abundantes e importantes moléculas de la vida.No solamente cubre la mayor parte de la superficie de la tierra, sino que almenos para nuestro planeta, todo indica que la vida se originó en el agua.Tanto es así que nos resulta casi imposible imaginar la existencia de vida enun planeta sin agua.

Es la biomolécula más cuantiosa en cualquier ser vivo: representa entre el 60y 90% de su peso. Hay organismos que viven en la ínfima cantidad de agua de un grano de arena,algunas bacterias se encuentran en los límites de fusión de los témpanos polares, en las aguas casihirvientes de los manantiales termales. Pero todos la necesitan...Para comprender por qué el agua es tan extraordinaria, debemos considerar su estructura molecular: sumolécula es un átomo de oxígeno que se une covalentemente ados átomos de hidrógeno mediante enlaces que forman un ánguloaproximado a 105º.

Las moléculas de agua tienen enlaces covalentes polares5.Cuando cada átomos de hidrógeno se enlaza al de oxígeno, el parde electrones que se comparten es más atraído hacia el oxígeno.

Esto significa que aunque tiene una carga total neutra (igualnúmero de protones y de electrones), la molécula tiene distribucióndesigual o asimétrica de las cargas eléctricas: alrededor deloxígeno se concentra una densidad de carga negativa (δ-),mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desprovistosparcialmente de sus electrones y manifiestan una densidad decarga positiva (δ+) . Esto causa que la molécula de agua secomporte como un dipolo.

2 Debido a que sus características atómicas, el carbono puede formar largas cadenas combinándose con hidrógeno. Estas “cadenas hidrocarbonadas” servirán de esqueleto para las grandes biomoléculas.3 Macro significa 'grande'.4 Compuesto químico, natural o sintético, formado por polimerización y que consiste esencialmente en unidades estructurales repetidas.5 Ya que la diferencia de electronegatividad (ΔEN) del enlace O―H es de 1,4.

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Figura 2: Dipolo de la molécula de agua.

Figura 1: Estructuraquímica de la molécula de

agua

¿Y? Los dipolos generan magnetismo... Como las cargas eléctricas de igual signo se repelen y las designo distinto se atraen (piensa en los imanes), entonces el agua puede disolver algunos compuestos yademás, puede “mojar”... ¡por eso es tan importante para la vida! Veamos funciones relacionadas con lobiológico:

a) Posee también una función estructural dando elasticidad y consistencia a los tejidos.

b) Interactúa con muchas otras moléculas y es capaz de disolver a distintas sustancias polares (concarga eléctrica).

c) Es el medio en que ocurren las reacciones químicas de la célula.

d) Es medio de transporte de nutrientes y otras sustancias.

e) Obliga a las sustancias no polares como los lípidos a adoptar ciertas organizaciones físicas, ciertasformas.

f) Las moléculas mantienen una cohesión interna gracias a los puentes de hidrógeno. De esta adhesiónde sus moléculas viene la “capilaridad”, es decir la capacidad que tiene el agua de ascender por untubo delgado.

g) Debido a su altos calores específico, de vaporización y de fusión, el agua ayuda mantener unatemperatura relativamente estable ante las amplias fluctuaciones de la temperatura ambiente. Por elloes “regulador térmico”, impide que se produzcan cambios bruscos de temperatura en los seres vivos.

h) En estado sólido es menos denso que en estado líquido: el hielo (estado sólido) flota sobre el agua(estado líquido).

i) Regulador térmico, impide que se produzcan cambios bruscos de temperatura en los seres vivos. Enlos lugares de costa atempera el clima.

2.2. Sales minerales

Son sustancias inorgánicas que contienen elementos necesarios para las células como el sodio,potasio, calcio, cloro, etc. Tienen funciones específicas para cada ión (ej: el Fe se relaciona al transportede oxígeno).

Se encuentran en estado sólido (como precipitados) o disueltas (formando las soluciones):

• En estado precipitado cumplen funciones de sostenimiento (ej: carbonato de calcio6 de las conchas de los moluscos bivalvos) y esqueléticas (ej: el fosfato de calcio7 es la principal forma decalcio que se encuentra en la leche bovina.)

• En estado disuelto regulan la concentración de sales y la acidez dentro del organismo. En otras palabras, regulan el paso del agua a través de las membranas semipermeables de las células y las sustancias que van disueltas en ella.

Las sales minerales que aparecen en disolución se disocian en sus iones, algunos de los más comunes se agrupan en la siguiente tabla.

Aniones Cationes

Cloruro Cl- Sodio Na+

Carbonato CO32- Potasio K+

Bicarbonato HCO3- Calcio Ca2+

Fosfato PO4-3 Magnesio Mg2+

Sulfato SO42-

Tabla 2: Algunos iones presentes en los humanos

6 Carbonato de calcio: CaCO3

7 Fosfato de calcio: Ca3(PO4)2

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III. Actividad de cierre

Ahora que ya trabajaste los contenidos responde lo mejor quepuedas a lo siguiente:

1) ¿La densidad del hielo es mayor, igual o menor que la delagua líquida? Explica dando un ejemplo

2) ¿Qué efecto tendría sobre la vida acuática que la densidaddel hielo fuera mayor que la del agua líquida?

3) ¿Cómo ayuda la transpiración a regular la temperatura del cuerpo?

4) ¿Por qué te sientes más acalorado en un ambiente tropical (caluroso y húmedo) que en uno de tipo mediterráneo (caluroso y seco)?

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