Tema Bioquimica Bioelementos y Agua y Sales

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Biología 2º Bach

Bioelementos, agua y sales minerales 1

BBIIOOEELLEEMMEENNTTOOSS YY

PPRRIINNCCIIPPIIOOSS IINNMMEEDDIIAATTOOSS IINNOORRGGÁÁNNIICCOOSS

1. Bioelementos

No hay ningún elemento químico exclusivo de los seres vivos, son los mismos que encontramos en la

materia inerte, pero sólo 27 de estos forman parte de modo permanente de la materia viva. Son los

bioelementos o elementos biogénicos (bios = vida, xenos = origen).

Atendiendo a su abundancia se pueden clasificar en tres grupos:

Bioelementos primarios o plásticos: Son C, H, O y N, y en menor medida P y S,

representado algo más del 96% de la masa de cualquier organismo

Bioelementos secundarios: Son Na+, K

+, Ca

+2, Mg

+2y Cl

-, imprescindibles aunque aparecen

en menor % que los primarios. Aparecen ionizados en medios acuosos y constituyen

aproximadamente el 3% de todos los seres vivos.

Oligoelementos: (oligos = escaso) Se encuentran en cantidades muy pequeñas (trazas:

menos del 0,1%), y en conjunto no superan el 1% del total. Entre ellos están Fe, Cu, Co, Zn y

Mn como indispensables ya que aparecen en todos los seres vivos y los variables, sólo

presentes en algunos seres vivos como F, Br, I, Si, etc.

La causa de que sean estos elementos de la tabla periódica los que conformen a materia viva y no otros

está en sus propiedades:

Los bioelementos primarios (especialmente el C) son átomos ligeros que pueden formar enlacescovalentes: o Muy estables debido al pequeño radio de estos átomos.

o El C tiene una configuración tetraédrica, con cuatro valencias orientadas en sendas direcciones

distintas del espacio, por lo que puede formar uniones simples, dobles o triples, permitiendo variar

la configuración de la molécula resultante.

o Los enlaces C-C, pueden formar largas cadenas y alcanzar gran diversidad y complejidad espacial.

o El C tiene electronegatividad media, lo que le permite formar enlaces con átomos más o menos

electronegativos.

El O, el N y el P son además elementos electronegativos, lo que les permite formar enlaces covalentes

con los átomos de C pero con los electrones ligeramente desplazados hacia ellos.

El O es un gran oxidante, capaz de liberar energía en los procesos de oxidación de las moléculas

orgánicas.

P y S forman enlaces relativamente fáciles de romper, liberando mucha energía al ser hidrolizados.

Los bioelementos metálicos (como el hierro) permiten varios niveles de oxidación que utiliza la célula

para el transporte de electrones.

Na, K y Cl participan en el mantenimiento de las concentraciones dentro y fuera de las células.

2. Enlaces de la materia viva

Los bioelementos anteriores se asocian entre sí para dar lugar a múltiples moléculas (las biomoléculas) queconstituyen la materia de los seres vivos. Esta asociación se consigue mediante diferentes formas de enlacequímico:

a. Enlace covalente: Es el más fuerte, resultado de la compartición de electrones entre átomos

próximos. Aparece en todos los esqueletos carbonados de las diferentes moléculas orgánicas.b. Fuerzas electrostáticas o enlace iónico: Se produce cuando se aproximan lo suficiente dos iones con

carga opuesta. Este enlace es especialmente importante en las conformaciones de lasmacromoléculas y en las interacciones con el agua.

c. Puentes de H: El hidrógeno cuando está unido a un átomo electronegativo (como oxígeno onitrógeno) adquiere cierta carga parcial positiva pues la nube electrónica se desplaza hacia el otroátomo. El hidrógeno parcialmente cargado puede establecer interacciones con otras moléculastambién cargadas negativamente, apareciendo así un nuevo enlace llamado puente de H. Se trata de

una unión débil pero muy frecuente en la materia orgánica, e también en el agua.d. Interacciones hidrofóbicas: Se producen entre grupos hidrofóbicos o apolares, de manera quecuando se aproximan lo suficiente, la misma tendencia que tienen a huir del agua hace que se



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mantengan unidas evitando su solvatación. Como ejemplo, los fosfolípidos de membrana colocadosen bicapa.

e. Fuerzas de Van der Waals: Son enlaces muy débiles que surgen cuando dos grupos de átomos estántan próximos que aparecen interacciones inespecíficas entre ambos, sobre todo cuando se puedenacoplar lo suficiente. Ejemplo, las uniones Ag – Ac

3. Principios inmediatos inorgánicos

Todas las moléculas que constituyen la materia viva (biomoléculas) como resultado de los enlacesanteriores, se pueden agrupar en dos grandes grupos en función de su posible origen: las inorgánicas seránaquellas que estando presentes en la materia viva también pueden originarse en el medio inerte. Por elcontrario, las orgánicas son las moléculas que sólo se originan por la propia actividad de los seres vivos y secaracterizan por poseer una cadena de varios C unidos con enlaces covalentes.

3.1 Auga

La vida depende para su existencia de la presencia de agua, siendo la biomolécula más abundante de los

seres vivos (63% en el hombre, 95% en algas). Este porcentaje varía también según el tipo de tejido(huesos 22%, 85% tejido nervioso) y otros factores como edad, actividad metabólica, etc.

La molécula de agua está formada por el enlace covalente entre

un átomo de O y dos de H. El oxígeno comparte cada uno de sus

dos electrones de su último nivel de energía con un átomo de

hidrógeno, pudiendo de esta forma mantener una configuración

más estable. Este enlace no se forma en línea recta, si no que está

en ángulo (≈ 105º). Además, el oxígeno atrae con más fuerza a los

electrones de valencia que ambos hidrógenos, lo que produce una

repartición desigual de las cargas: la molécula se comporta como

un dipolo, donde el polo negativo corresponde al oxígeno y elpolo positivo a los hidrógenos. Aunque es un dipolo es

eléctricamente neutra. Como consecuencia, muchas moléculas de

agua se unen por puentes de H (por lo que el agua es líquida a Tª ambiente)

Esta presencia tan generalizada del agua en los seres vivos se debe a sus propiedades, que en gran parte

derivan de su arquitectura molecular. Algunas de ellas son:

1. Gran capacidad disolvente. Es uno de los mejores disolventes debido a su capacidad de formar puentesde H con otras substancias quedando estas moléculas rodeadas por otras de agua (siempre que estastambién tengan cierta polaridad), en un proceso denominado solvatación. Puede disolver compuestosiónicos como las sales minerales, e compuestos covalentes polares, como los glúcidos (aunque son



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moléculas neutras por tener la misma cantidad de cargas positivas que negativas, éstas no estánhomogéneamente repartidas).

2. Elevada fuerza de cohesión entre las moléculas. Los puentes de H mantienen juntas a las moléculas deagua, permitiéndole formar columnas continuas, prácticamente incompresibles por lo que el agua es elcomponente idóneo para constituir la base del citoplasma.

3. Elevada fuerza de adhesión. Las moléculas de agua presentan una gran capacidad de adherirse a lasparedes de conductos de pequeño diámetro, ascendiendo en contra de la gravedad, lo que se conoce

como capilaridad. Este fenómeno está relacionado con la propia cohesión de las moléculas de aguaentre sí y permite, por ejemplo, el ascenso de la sabia bruta por el xilema de las plantas.

4. Elevada tensión superficial. La superficie del agua opone gran resistencia a romperse, lo que posibilita,por ejemplo, que los mosquitos vivan sobre a película de agua de los ríos.

5. Elevado calor de vaporización. La fase líquida del agua permanece en un amplio margen detemperatura (0-100ºC), ya que las fuerzas de atracción existentes entre las moléculas de agua, a causade los puentes de H, dificultan su total desprendimiento a la fase gaseosa.

6. Elevado calor específico. El agua tiene la capacidad de absorber gran cantidad de calor sin apenasvariar su temperatura. Esto le permite mantener una gran estabilidad térmica frente a cambiosbruscos de temperatura en el medio.

7. Menor densidad en estado sólido. La máxima densidad la alcanza a los 4 ºC, por lo que en estadosólido (0 ºC) presenta menor densidad y flota en agua líquida.

8.

Bajo nivel de ionización. El agua pura se hidroliza, es decir, lamolécula pode romperse en sus iones originando protones (H+) e

hidroxilos (OH-). Cuando esta hidrólisis alcanza el equilibrio la

concentración de protones es muy baja: [H+]=10

-7moles/litro. El

logaritmo cambiado de signo de esta cantidad es lo que seconoce como pH. Dada la importancia de esta concentración deprotones en cualquier disolución, y teniendo en cuenta que elagua es una sustancia omnipresente, se toma la referencia delpH del agua (pH=7) como el pH neutro. Cuando el agua contienecualquier sustancia disuelta, puede alterarse la concentración deprotones, y en consecuencia el pH. Si la concentración deprotones es mayor que 10

-7mol/l su pH será menor que 7, por

lo tanto será un medio ácido. Cuando la concentración es menorque 10-7 mol/l, el pH será mayor que 7, y consecuentemente unmedio básico.En los organismos vivos es muy importante mantener el pHconstante (y frecuentemente alrededor de 7) para permitir quese desenvuelvan los procesos propios de la vida. Como estascircunstancias no siempre se cumplen, es necesario contar con lapresencia de sustancias amortiguadoras o tampón, capaces deamortiguar las pequeñas oscilaciones del pH.

En el interior de las células:acidifica

H2PO4-+ H20 ----------- HPO4

-2+ H3O

+

----------

neutraliza En el exterior de las células:

neutralizaH

++ HCO3

--------------- CO3H2 --------- CO2 + H2O

-------------acidifica

Todas estas propiedades fisicoquímicas del agua le permitendesempeñar funciones tan importantes para la vida como:

Disolvente: la mayoría de las reacciones del metabolismo se realizan en medio acuoso. Además elagua es el vehículo de transporte en los intercambios entre los organismos, las células y el medio.

La solubilidad de las sustancias en agua depende de:- el tamaño de los solutos- la presencia de grupos funcionales, hidrófilos o polares e hidrófobos o apolares.

pH de algunas sustancias



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Según sea el tamaño de las partículas de la fase dispersa, hablamos de:

- Suspensión: El tamaño es mayor de 0,1 μm. - Dispersión coloidal: Si el tamaño está entre 0,1 μm y 1 ηm.

En ambos casos son dispersiones turbias y las partículas pueden precipitar porultracentrifugación. Cuando adquieren consistencia semisólida las disoluciones coloidales sedenominan gel; mientras que si tienen consistencia semilíquida se denominan sol.

- Disolución verdadera: Con partículas menores a 1 ηm. Son disoluciones transparentes en lasque no se puede extraer el soluto por medios físicos.

Transporte: De sustancias ya que se mezcla bien con ellas. Tanto entre diferentes medios comodentro del mismo organismo.

Reactivo químico: En muchas reacciones, debido a su capacidad para disociarse en H+

e OH-, como

ocurre en las reacciones de hidrólisis:

AB + H2O AH + BOH Medio de reacción: Gracias a su poder disolvente, la mayoría de las biomoléculas están disueltas en

agua, y así, reaccionan entre ellas.

Termorreguladora: El elevado calor específico del agua le permite cumplir el papel de estabilizar la

temperatura de los organismos o del medio en el que viven. Incluso, para enfriar las superficies

corporales debido a su alto calor de vaporización. Estructural: La presión hídrica moldea a las células. Amortiguadora: Mecánica o lubrificante.

3.2 Sales minerais

Son moléculas inorgánicas ionizables en agua. Pueden aparecer:a. Precipitadas. Es decir, en estado sólido. Se trata de sales como Ca3(PO4)2, CaCO3, o Si02 , que forman

parte de estructuras esqueléticas.b. Disueltas: Están ionizadas, como Cl

-, CO3

-2, PO4

-3, HCO3

-, K

+, Na

+, Ca

+2. Los iones con carga positiva son

cationes y los de carga negativa aniones. Controlan las propiedades osmóticas de las células, regulan elpH, o tienen funciones específicas como la transmisión del impulso nervioso o la contracción muscular.

Funciones de las sales minerales.

- Función estructural. En forma sólida, se depositan en los órganos esqueléticos para darles

consistencia, como en los huesos o en las conchas de los moluscos.

- Funciones específicas. Intervienen en la contracción muscular (Ca+2

) o en la conducción del

impulso nervioso (Na+

e K+). A veces realizan funciones antagónicas (si se separa un corazón

de un animal y se introduce en una disolución salina con iones Na+

o K+

se detiene el latido

en diástole; si se introduce con iones Ca+2

el corazón se para en sístole).

- Actúan como sustancias tampón. En disolución las sales se presentan disociadas en mayor o

menor grado en sus correspondientes iones, contrarrestando así la disociación de ácidos obases fuertes (tampón fosfato o tampón bicarbonato, por ejemplo).

- Intervienen en el equilibrio osmótico. En disolución acuosa, las sales participan en la

concentración de los medios extracelular e intracelular, fenómeno denominado acción

osmótica.

Las membranas biológicas se comportan como membranas semipermeables: dejan pasar el agua y no

permiten el paso de muchos solutos. En un medio acuoso, los iones (partículas en dispersión) se

diseminan por toda la masa líquida por difusión física. Entre dos medios de diferente concentración,

separados por una membrana semipermeable se produce la ósmosis. Como el soluto no puede

atravesar la barrera, el agua pasa a la parte más concentrada, provocando una diferencia de presión, la

presión osmótica. La disolución más concentrada se denomina hipertónica y la de menosconcentración hipotónica. (Dos disoluciones de la misma concentración serían isotónicas).



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La ósmosis es el paso de disolvente a través de

una membrana semipermeable entre dos

disoluciones de diferente concentración, desde

la disolución más diluida hacia la más

concentrada hasta igualar concentraciones.

Como el medio interno celular suele tener diferente concentración que el entorno, el fenómeno

osmótico tiene gran importancia biológica. Si metemos una célula animal en una disolución hipotónica

se produce una entrada de agua en el interior de la misma, aumentando la presión interior,

produciéndose su lisis. Si por el contrario la introducimos en una disolución hipertónica la célula

pierde agua, se arruga y a esto se le llama plasmolisis. Si la célula es vegetal, en un medio hipertónico

se producirá plasmolisis y en un hipotónico turgescencia (o turgencia). El mantenimiento del equilibrioosmótico, entre el medio interno de las células y el exterior de las mismas, es imprescindible para el

normal funcionamiento de as actividades metabólicas.

- Modifican las propiedades de disolvente del agua. Algunas proteínas no se disuelven bien en

agua destilada y si lo hacen en disoluciones salinas.

Cuestiones:

1. Explica por qué se disuelven bien en agua las sales minerales.

2. ¿Son todos los compuestos orgánicos neutros insolubles en agua? Razona la respuesta.

3. El alcohol etílico (CH3-CH2OH) es soluble en agua. ¿Por qué?

4. ¿Cuál es la principal causa de que sea el C el elemento básico en la materia orgánica y no el Si, siendo

este más abundante en la corteza terrestre?

5. ¿Qué proceso se desencadenaría si la sangre llegase a tener pH 4? Explica mediante las reacciones

correspondientes como se podría restablecer el pH óptimo.

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