TEMA1-BIOINORGANICAS

TEMA 1: BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS. BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS

1. Composición química de la materia viva: bioelementos y biomoléculas.1.1 Bioelementos.1.2 Biomoléculas.

2. Biomoléculas inorgánicas: el agua.2.1 Estructura del agua.2.2 Propiedades y funciones biológicas del agua.2.3 Ionización del agua y escala de pH.

3. Biomoléculas inorgánicas: las sales minerales.3.1 Funciones de las sales minerales.

1. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA MATERIA VIVA: BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS.

La materia en todos los estados (sólida, líquida y gaseosa) y formas (inerte y viva) está compuesta por átomos, los cuales se unen para formar moléculas.

Ahora bien, ¿cuáles son los elementos químicos presentes en los seres vivos? ¿Son los mismos que existen en la materia inerte? ¿Qué tipo de moléculas forman?

1.1 BIOELEMENTOS.

Cuando se realiza un análisis químico de la materia viva se identifican una serie de elementos químicos que se denominan bioelementos o elementos biogénicos ("originan la vida"). Son 70 elementos, 25 de los cuales están presentes en todos los seres vivos y el resto sólo aparecen en determinados grupos.

Según la proporción en que se encuentran en la materia viva se clasifican en:

. Bioelementos primarios o mayoritarios. (*)Son 6 elementos (C,H,O,N,P y S) que se encuentran en mayor proporción (99%) en los seres vivos. Son los componentes fundamentales de las biomoléculas.

. Bioelementos secundarios.Son elementos que se encuentran en menor proporción que los anteriores. Hay 5 que están presentes en todos los seres vivos: Mg, Ca, K, Na y Cl.

- Mg: forma parte de la clorofila e interviene en la actividad enzimática.- Ca: componente de huesos y caparazones, interviene en la contracción muscular, en la coagulación de la sangre, ...- K, Na, y Cl: intervienen en la transmisión del impulso nervioso y en el mantenimiento del equilibrio osmótico.

. Oligoelementos.Como su propio nombre indica ("oligo" = escaso), son elementos que se encuentran en cantidades pequeñísimas (inferior al 0,1%), aunque no por ello son menos importantes, pues su carencia puede ocasionar graves trastornos. Algunos son: Fe, Mn, Cu, I, F, Zn, ...

- Fe: forma parte de la hemoglobina (pigmento de la sangre).- Mn: necesario para que las plantas sinteticen clorofila.- Cu: forma parte de la hemocianina (pigmento de la sangre de algunos invertebrados).- I: necesario para la formación de las hormonas del tiroides. Su falta provoca el bocio.- F: forma parte del esmalte de los dientes.

_________________________________________________________________________________________________Tema 1. Biomoléculas inorgánicas

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- Zn: cofactor de algunas enzimas.

* Los bioelementos mayoritarios no coinciden (excepto el oxígeno) con los elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre ( O, Si, Al y Fe son los elementos más comunes en la composición del planeta). La razón de que los bioelementos mayoritarios sean el C, el H, el O, el N, el P y el S, reside en las propiedades que presentan:

- Poseen un número atómico bajo, por lo que los electrones compartidos al formarse enlaces covalentes se hallan próximos al núcleo y por lo tanto las moléculas originadas son más estables.

- Dado que el oxígeno y el nitrógeno son elementos electronegativos, muchas biomoléculas son polares y por ello solubles en agua, requisito imprescindible para que tengan lugar las reacciones biológicas.

En cuanto al átomo de carbono tiene 4 electrones en su capa externa, con lo cual puede formar 4 enlaces covalentes

estables con otro átomo. Puede unirse con otros átomos de carbono formando largas cadena con enlaces simples (C-C), dobles (C=C) o triples (C≡C). Aunque también los átomos de C pueden unirse a otros átomos distintos, dando lugar a grupos funcionales (-OH, -NH2, ...) y originando así un gran número de moléculas diferentes.

1.2 BIOMOLÉCULAS O PRINCIPIOS INMEDIATOS.

Los elementos biogénicos rara vez se encuentran en estado libre, generalmente, se combinan entre sí mediante enlaces químicos para, dar lugar a moléculas que aparecen siempre en los seres vivos. A estas moléculas se les denomina biomoléculas o principios inmediatos, y se clasifican en dos grupos:

. Biomoléculas inorgánicas: agua y sales minerales.

. Biomoléculas orgánicas (exclusivas de los seres vivos): glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

2. BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS: EL AGUA.

El agua es el componente más abundante de los seres vivos. Representa aproximadamente el 70%, aunque dicho porcentaje varía de unos organismos a otros.

El contenido en agua de un ser vivo varía también en función de diversos factores, por ejemplo la edad (mientras más joven más agua contiene), el tipo de tejido (la corteza cerebral 86%, el tejido óseo 22%, ...), etc.

2.1 ESTRUCTURA DEL AGUA .

La molécula de agua está formada por dos átomos de H y uno de O unidos mediante un enlace covalente (par de electrones compartidos).

Sin embargo, como el átomo de O es más electronegativo que el de H, los pares de electrones compartidos son atraidos con más fuerza por el núcleo del O, consiguiendo que estos pares de electrones estén más cerca del O. Esto da lugar a la aparición de dos zonas con cargas distintas en la molécula de agua, positiva en los hidrógenos y negativa en el oxígeno. Por esta razón la molécula de agua tiene carácter dipolar, se dice que es un dipolo.

La estructura dipolar de la molécula de agua hace que varias de ellas puedan unirse entre sí mediante atracciones electrostáticas entre la parte negativa de una molécula y la parte positiva de otra molécula de agua vecina, formándose entre ambas un enlace denominado "puente de hidrógeno".

Cada molécula de agua puede establecer 4 puentes de H con otras tantas moléculas (dos con cada uno de los átomos de H y otros 2 con cada átomo de O). Igualmente puede formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas polares (alcohol, ...) o con iones.


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Al unirse muchas moléculas de agua mediante puentes de H se consigue que el agua alcance un elevado peso molecular y que sea líquida a temperatura ambiente, en vez de ser un gas como por ejemplo el CO2 que tiene un peso molecular similar.

2.2 PROPIEDADES Y FUNCIONES BIOLÓGICAS DEL AGUA.

El agua posee unas propiedades características, derivadas de su estructura, que permiten la existencia de la vida en nuestro planeta.

- Elevada capacidad disolvente.

El agua es el líquido que más sustancias disuelve debido a la capacidad que tiene de formar puentes de H con gran cantidad de sustancias distintas:

. Con los compuestos iónicos, como las sales, el agua se interpone entre los iones originando una disminución importante de la atracción entre ellos, provocando su separación, y en definitiva, su disolución.. También puede formar puentes de H con otras moléculas no iónicas, pero que tienen grupos polares (como los grupos -OH de los alcoholes y azúcares, grupos -NH2 de las proteínas, etc.), y causar también su disolución.

La capacidad disolvente del agua es la responsable de dos importantes funciones:

. El agua es el medio en el que transcurren la mayoría de las reacciones del metabolismo.. El agua es el medio de transporte de numerosas sustancias disueltas (nutrientes y productos de desecho) de un lugar a otro del organismo. La sangre en los animales y la savia en las plantas, están


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formadas fundamentalmente por agua.

- Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas.

Los puentes de H mantienen a las moléculas de agua fuertemente unidas, esto convierte al agua en un líquido prácticamente incompresible, idóneo para dar volumen a las células y turgencia (consistencia) a las plantas.

- Elevada tensión superficial.

En el interior del agua, las moléculas se unen unas con otras mediante puentes de H, en todas las direcciones del espacio, por lo que las fuerzas se compensan. Sin embargo, las moléculas situadas en la superficie del agua experimentan fuerzas de atracción únicamente hacia el interior del líquido. De esta forma se origina una fuerza dirigida hacia el interior del agua, que se denomina tensión superficial y hace que la superficie libre del agua se comporte como una membrana elástica tensa, que opone una gran resistencia a ser traspasada, y que permite, por ejemplo, el desplazamiento sobre ella de algunos organismos. Esta propiedad es también la responsable de las deformaciones celulares.

- Elevada fuerza de adhesión.

Las moléculas de agua, debido a su polaridad, tienen una gran capacidad de adherirse a las paredes de conductos estrechos ascendiendo, en contra de la gravedad. Este fenómeno se conoce con el nombre de capilaridad y contribuye a la ascensión de la savia bruta por los vasos leñosos.

- Elevado calor específico.

El agua puede absorber gran cantidad de calor sin elevar mucho su temperatura, ya que parte de la energía se emplea en romper los enlaces de H. Del mismo modo para enfriarse necesita más tiempo que otros líquidos.

Esta propiedad explica su función termorreguladora, manteniendo constante la temperatura interna de los seres vivos.

- Elevado calor de vaporización.

Debido a que primero hay que romper todos los puentes de H, para que 1 g de agua a temperatura ambiente (20º C) se evapore, hace falta mucho calor (540 cal).

Esta propiedad del agua es aprovechada por algunos animales para disminuir su temperatura corporal mediante la evaporación de agua en la superficie del cuerpo (sudoración).

- Menor densidad del hielo que del agua líquida.

Cuando un líquido se congela, aumenta su densidad. Sin embargo, cuando la temperatura del agua desciende por debajo de 4º C, aumenta el volumen del agua hasta transformarse en hielo a los 0º C. Por ello el hielo es menos denso que el agua líquida y flota en ella. Gracias a esta anomalía del agua, los lagos, ríos y mares sólo se congelan en la superficie, actuando la capa de hielo como aislante térmico que permite la vida en el agua líquida que hay debajo.

2.3 IONIZACIÓN DEL AGUA Y ESCALA DE PH.

Algunas moléculas de agua sufren un proceso de ionización cuando un átomo de H de una de ellas se une, mediante un enlace covalente, al átomo de O de otra molécula a la que estaba unida por un puente de H. H H H H ||||| O ------> H + H O +

O H <------ O - H


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2H2O -----> HO- + H3O+

<-----Se obtienen así dos iones HO- y H3O+, con carga opuesta, y en igual concentración (los iones

H3O+, por convenio, suelen representarse simplemente como H+).

En el agua líquida siempre existe una pequeñísima cantidad de moléculas ionizadas.El producto de las concentraciones de los iones H+ y OH- es constante, y se denomina

producto iónico. Su valor para el agua pura a 25º C es:

Kw = [H+] . [OH- ] = 10-14

. En el agua pura la concentración de iones H+ y OH- es la misma e igual a 10-7.

. En una disolución acuosa el producto iónico también se mantiene constante, pero la proporción de iones es variable. Así en una disolución acuosa de un ácido existirán más H+

que OH-, mientras que en la disolución de una base se producirá el efecto contrario. Las disoluciones acuosas pueden ser:

- Neutras, si la concentración de iones H+ y OH- es igual.- Ácidas, si la concentración de iones H+ es mayor que la de OH-.- Básicas, si la concentración de iones OH- es mayor que la de H+.

El grado de alcalinidad o acidez se expresa mediante la escala de pH. Esta escala fue ideada con el fin de evitar cálculos con números muy pequeños que indican la baja concentración de iones H+. Se define pH como el logaritmo del inverso de la [H+]:

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pH = log ---- = - log [H+] [H+]

El pH de la mayoría de las células se acerca a la neutralidad, oscilando entre 7,2 y 7,4. Los seres vivos no soportan variaciones de pH mayores de unas décimas, ya que influyen en el funcionamiento de las enzimas.

3. BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS: LAS SALES MINERALES.

Las sales minerales son moléculas inorgánicas presentes en todos los seres vivos. Según sean solubles o insolubles en agua, las sales se clasifican en disueltas y precipitadas.

- Sales minerales precipitadas.

Forman parte de estructuras protectoras (conchas de moluscos) o de sostén (esqueletos internos de vertebrados). Como es el caso del carbonato y el fosfato cálcico. También la sílice (SiO 2) se deposita formando caparazones silíceos de radiolarios y diatomeas.

- Sales minerales disueltas.

Lo más usual es que las sales minerales aparezcan disueltas y disociadas en sus iones (aniones y cationes), formando parte de los medios intracelulares y extracelulares.


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. Entre los aniones más frecuentes en la materia viva se encuentran: los cloruros [Cl- ], los carbonatos [CO3

2- ], los bicarbonatos [HCO3- ], los fosfatos [PO4

3- ], los sulfatos [SO42- ] y los

nitratos [NO3- ].

. Los principales cationes son: el sodio [Na+], el potasio [K+], el calcio [Ca2+], el magnesio [Mg2+], el hierro [Fe2+ y Fe3+] y el cobre [Cu+ y Cu2+].

3.1 FUNCIONES DE LAS SALES MINERALES.

. Las sales minerales precipitadas forman parte de estructuras protectoras y de sostén.

. Las sales minerales disueltas desempeñan diversas funciones en los seres vivos:

- Regulan la presión osmótica y el volumen celular.

Si tenemos dos disoluciones A y B de distinta concentración separadas por una membrana semipermeable (deja pasar el agua pero no las sustancias disueltas en ella), la ósmosis es el fenómeno por el cual el agua pasa a través de la membrana semipermeable desde la disolución menos concentrada (hipotónica) hacia la más concentrada (hipertónica) hasta igualar la concentración de ambas disoluciones (isotónicas). A B A B |________|________| |__________|_________| | | | | | | | [+] |----- [-] | | [=] | [=] | |________|________| |__________ | _______ _|

Para evitar el paso de agua sería necesario aplicar una presión , denominada presión osmótica. Cuanto mayor sea la diferencia entre ambas concentraciones, mayor será la presión osmótica.

Como la membrana plasmática de la célula es semipermeable, es necesario mantener una concentración salina dentro de la célula igual a la del medio externo para que ésta no pierda ni gane agua. Si la concentración del medio intracelular es mayor que la del medio externo, la entrada excesiva de agua producirá un hinchamiento, conocido como turgencia celular, que puede provocar la rotura de la membrana y la muerte de la célula (en las células vegetales la pared celular lo impide). Si por el contrario, la concentración en el medio interno es menor que en el medio externo, la célula pierde agua y disminuye su volumen, proceso que recibe el nombre de plasmólisis y puede ocasionar también la muerte celular.

- Regulan el pH.

La actividad biológica en el interior de la célula se produce a un pH neutro o cercano a la neutralidad. Pero las reacciones químicas del metabolismo liberan constantemente productos ácidos (H+) y básicos (OH-) que producen variaciones del pH, que afectarían a las proteinas. Para evitarlo los seres vivos han desarrollado unos sistemas tampón o amortiguadores del pH, en los cuales intervienen las sales minerales disueltas.

Un sistema tampón está formado por un ácido débil y una sal del mismo ácido, que actúan como aceptores o dadores de H+ para compensar el exceso o el déficit de estos iones en el medio y así mantener constante su pH.

Los sistemas tampón más importantes son:

. El constituido por ácido carbónico [H2CO3] y bicarbonato [HCO3- ].

. El compuesto por ácido fosfórico [H3PO4] y fosfato [PO43- ].

El primero actúa en el medio extracelular y el segundo en el intracelular.


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Un ejemplo del sistema tampón utilizado por el organismo para amortiguar un exceso de acidez en el plasma sanguíneo es el del ácido carbónico y el bicarbonato sódico. Este sistema se pone en funcionamiento cuando en el plasma aumenta la cantidad de HCl que se disocia (en Cl - y H+) liberando gran cantidad de iones H+, los cuales provocarían un descenso del pH. Sin embargo el pH no varía gracias a la actuación del sistema tampón:

HCO3- + H+ -----------> H2CO3 ----------> CO2 + H2O

El ácido débil (H2CO3) se convierte en CO2 (se elimina en la respiración) y H2O.

- Funciones específicas de algunas sales minerales.

Los diferentes cationes que se liberan al disociarse las sales minerales ejercen acciones específicas. En el siguiente cuadro se describen brevemente los más importantes:

ACTIVIDADES

1.- ¿Es correcto afirmar que la cantidad en que se encuentra un elemento biogénico en el organismo refleja su importancia biológica? Cita algún ejemplo que demuestre tu respuesta.

2.- El agua de la materia viva se encuentra en constante renovación, esto implica aporte y eliminación de modo continuo. Explica cómo se realiza el aporte y cómo la eliminación.

3.- Explica las razones por las que consideramos el agua como disolvente universal. ¿Por qué es tan importante esta función en los seres vivos?

4.- Relaciona la densidad del agua con su importancia para el mantenimiento de la vida.

5.- ¿Qué es el calor de vaporización? ¿Qué es el calor específico? ¿Cuál es el valor de este último en el caso del agua?

6.- Una persona adulta que realiza un trabajo de fuerza, puede llegar a perder por transpiración hasta 1,6 litros de agua por hora. Calcula la cantidad de calor que se disipa al cabo de una hora gracias a esa transpiración, suponiendo que todo el sudor se evapora por completo.

7.- Vierte agua en un plato y deposita con cuidado una aguja o una hoja de afeitar sobre la superficie. ¿Qué observas? ¿A qué es debido?

8.- Indica si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:a) Las sales minerales son moléculas inorgánicas que se ionizan en el medio acuoso.b) Las moléculas de agua se unen por enlaces de hidrógeno.c) El agua alcanza su máxima densidad al convertirse en hielo.


Cationes Procesos en los que intervienen

Na+ Transmisión del impulso nervioso

K+

Transmisión del impulso nerviosoContracción muscularRegulación de la actividad cardíaca

Ca2+

Coagulación de la sangreContracción muscularRegulación de la actividad cardíaca

Fe2+ Necesario para la síntesis de hemoglobina

Mg2+ Forma parte de la clorofila

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d) Las sales minerales solubles aportan energía a las células.9.- La concentración de cloruro sódico en la sangre es de 0,9 g/100 ml. Explica razonadamente qué ocurriría si se colocaran hematíes humanos en:

a) Agua destilada.b) Una solución salina (3g/100 ml).c) Una solución salina (9g/100 ml).d) Una solución salina (9g/l).

10.- ¿Qué proceso se desencadenaría si en la sangre se llegara a un pH 8? Explica mediante las reacciones correspondientes cómo se podría restablecer el pH óptimo.

11.- Al iluminar unos cloroplastos el pH de los tilacoides ha pasado de 7 a 5. ¿Cómo ha variado la concentración de H+?

12.- ¿Qué cantidad de iones H+ hay en 1 litro de agua pura?

13.- Corrige el siguiente texto: " El carbono, el oxígeno, el hidrógeno y el nitrógeno son oligoelementos de bajo peso atómico, lo que les impide formar enlaces covalentes. Son elementos escasos en las capas más externas de la Tierra y los compuestos químicos que forman no se disuelven bien en agua".

14.- ¿Por qué una forma de conservar los alimentos es cubrirlos de sal (bacalao, anchoas, jamón, ...)?

15.- ¿Cómo actúa el tampón bicarbonato frente a una subida y a una bajada de pH?

16.- ¿A qué se denomina soluciones isotónicas? ¿Qué ocurriría si introdujésemos hematíes en una disolución hipotónica? ¿Y en una hipertónica?


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