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Tema 1. Bioelementos y Biomoléculas inorgánicas
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Tema 1 BIOELEMENTOS Y
BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS
BIOELEMENTOS
Los seres vivos han seleccionado los elementos más idóneos para sus estructuras y funciones.
Por otro lado además de ser idóneos los elementos han de estar disponibles en abundancia (en forma soluble) para los seres vivos.
Disponibilidad de bioelementos
Hay buena correlación entre la abundancia de los elementos en el mar y en los seres vivos.
Los bioelementos mayoritarios pueden incorporarse fácilmente a los seres vivos ya que se encuentran en moléculas que pueden ser captadas de forma sencilla.
En cualquier ser vivo se pueden encontrar alrededor de 70 elementos, pero no todos son indispensables ni comunes a todos.
BIOELEMENTOS
Primarios (C, H, O, N, S, P). Los más abundantes (96’2%), e indispensables para formar moléculas orgánicas
Secundarios (Ca, Na, K, Mg y Cl). En menor porcentaje, pero también imprescindibles para los seres vivos.
Oligoelementos, en proporción inferior al 0,1% siendo imprescindibles para la vida: Universales o Indispensables: en todos los seres
vivos: Mn, Fe, Co, Cu y Zn. Variables: en algunos organismos: B, Al, V.
Biosfera (% masa) C 18
H 10
O 65
N 3
P 2
S 0,1
Ca 2,5
Na 0,1
K 0,1
Mg 0,1
Cl 0,2
Oligoelementos 0,8
Características Bioelementos primarios
Forman entre ellos enlaces covalentes muy estables, compartiendo pares de electrones.
Son los elementos más ligeros que forman enlaces covalentes y por tanto muy estables.
El C, O y N pueden formar enlaces simples, dobles o triples. La disposición tetraédrica de los enlaces del C da lugar a una gran
diversidad de moléculas con estructuras tridimensionales diferentes (estereoisómeros).
El C se une consigo mismo dando lugar a largas cadenas lineales, ramificadas, cíclicas…
Forman moléculas reducidas con dificultad para oxidarse, por lo que son muy estables en la atmósfera y cuando se oxidan desprenderán gran cantidad de energía (energía que se utilizará para el mantenimiento de la vida).
Enlace covalente
Se produce cuando se comparten una o más parejas de e- entre los dos átomos.
La valencia covalente indica el número de enlaces covalentes que puede formar un elemento.
Enlace iónico
Se da entre iones de carga opuesta debido a la atracción electroestática.
La valencia iónica es la capacidad de algunos átomos de ganar o perder electrones.
Estructuras de Lewis
Regla del octeto: La capa más externa de los átomos tienden a contener 8 e-, que es la estructura de los gases nobles.
Distribución electrónica en los átomos
En los átomos los electrones se distribuyen en niveles energéticos.
Existen 7 niveles de energía o capas donde pueden situarse los electrones, numerados del 1, el más interno, al 7.
Cada nivel tiene sus electrones repartidos en distintos subniveles, que pueden ser de cuatro tipos: s, p, d, f.
En cada subnivel hay un número determinado de orbitales que pueden contener, como máximo, 2 electrones cada uno.
Configuración electrónica
Características Bioelementos primarios
Forman entre ellos enlaces covalentes muy estables, compartiendo pares de electrones.
Son los elementos más ligeros que forman enlaces covalentes y por tanto muy estables.
El C, O y N pueden formar enlaces simples, dobles o triples. La disposición tetraédrica de los enlaces del C da lugar a una gran
diversidad de moléculas con estructuras tridimensionales diferentes (estereoisómeros).
El C se une consigo mismo dando lugar a largas cadenas lineales, ramificadas, cíclicas…
Forman moléculas reducidas con dificultad para oxidarse, por lo que son muy estables en la atmósfera y cuando se oxidan desprenderán gran cantidad de energía (energía que se utilizará para el mantenimiento de la vida).
Enlaces covalentes bioelementos primarios
La estabilidad de un enlace covalente es mayor cuanto menor es la masa atómica de los átomos que lo forman.
Características Bioelementos primarios
Forman entre ellos enlaces covalentes muy estables, compartiendo pares de electrones.
Son los elementos más ligeros que forman enlaces covalentes y por tanto muy estables.
El C, O y N pueden formar enlaces simples, dobles o triples. La disposición tetraédrica de los enlaces del C da lugar a una gran
diversidad de moléculas con estructuras tridimensionales diferentes (estereoisómeros).
El C se une consigo mismo dando lugar a largas cadenas lineales, ramificadas, cíclicas…
Forman moléculas reducidas con dificultad para oxidarse, por lo que son muy estables en la atmósfera y cuando se oxidan desprenderán gran cantidad de energía (energía que se utilizará para el mantenimiento de la vida).
a) Estructura tetraédrica del carbono b) Representación de la estructura tridimensional de dos estereoisómeros. c) Representación de la estructura tridimensional de una cadena carbonada.
b a
c
Características Bioelementos primarios
Forman entre ellos enlaces covalentes muy estables, compartiendo pares de electrones.
Son los elementos más ligeros que forman enlaces covalentes y por tanto muy estables.
El C, O y N pueden formar enlaces simples, dobles o triples. La disposición tetraédrica de los enlaces del C da lugar a una gran
diversidad de moléculas con estructuras tridimensionales diferentes (estereoisómeros).
El C se une consigo mismo dando lugar a largas cadenas lineales, ramificadas, cíclicas…
Forman moléculas reducidas con dificultad para oxidarse, por lo que son muy estables en la atmósfera y cuando se oxidan desprenderán gran cantidad de energía (energía que se utilizará para el mantenimiento de la vida).
Características Bioelementos primarios
Forman entre ellos enlaces covalentes muy estables, compartiendo pares de electrones.
Son los elementos más ligeros que forman enlaces covalentes y por tanto muy estables.
La disposición tetraédrica de los enlaces del C da lugar a una gran diversidad de moléculas con estructuras tridimensionales diferentes (estereoisómeros).
El C, O y N pueden formar enlaces simples, dobles o triples. El C se une consigo mismo dando lugar a largas cadenas lineales,
ramificadas, cíclicas…
Tienen dificultad para oxidarse, por lo que son muy estables en la atmósfera y cuando se oxidan desprenderán gran cantidad de energía (energía que se utilizará para el mantenimiento de la vida).
Funciones bioelementos mayoritarios
El C, H y O forman la estructura básica de las biomoléculas orgánicas.
El N forma parte de proteínas, ácidos nucleicos.....
El P forma parte del ADN y del ARN, fosfolípidos, coenzimas (ATP, NAD+, NADP+...) y estructuras como los huesos.
El S está presente en los aminoácidos cisteína y metionina.
Bioelementos Secundarios Forman compuestos iónicos, que pueden presentarse
disueltos o en estado sólido. El Ca forma estructuras esqueléticas
(CaCO3) e interviene en la contracción muscular y coagulación de la sangre o estabiliza estructuras celulares.
El Na y el K están implicados en la transmisión del impulso nervioso y junto con el Cl mantienen la salinidad celular.
El Mg es cofactor en la clorofila y actua como catalizador en otros enzimas.
Oligoelementos Están presentes en pequeña proporción pero son
imprescindibles para la vida. Mg, Fe, Cu, Co y Zn, son universales. Otros como Si, F, I, sólo existen en algunos grupos de
organismos.
El Fe y el Cu forman los pigmentos respiratorios (hemoglobina y mioglobina el Fe y hemocianina el Cu).
El Co forma la vitamina B12 El I está presente en las hormonas tiroideas y el F en los dientes y
huesos.
El SiO2 forma el caparazón de las diatomeas.
BIOMOLÉCULAS
Inorgánicas Agua Sales minerales Algunos gases: O2, CO2, N2, ...
Orgánicas Glúcidos Lípidos Proteínas Ácidos Nucleicos
Los bioelementos forman biomoléculas:
AGUA Es el componente mayoritario de los seres vivos.
Su contenido varía según: El tipo de organismo Su edad Órgano considerado y Actividad metabólica que
desarrollan las células.
Agua en los seres vivos
Se puede localizar tanto intracelular como extracelularmente: Agua intersticial: entre las células. Agua intracelular: ligada a las moléculas celulares y formando
el citosol y el interior de los orgánulos. Agua circulante: se desplaza en los organismos transportando
sustancias (savia y sangre).
En los seres humanos el agua circulante supone un 8% de su peso, el agua intersticial un 15% y la intracelular un 40%.
ESTRUCTURA AGUA
Estructura del agua
A temperatura ambiente el agua es líquida, mientras que otras moléculas de parecido PM (SO2, CO2, SO2, H2S…) son gases.
Se debe a que los e- de los átomos de H están desplazados hacia el átomo de O (mas electronegativo), por lo que aparece sobre el O un polo negativo debido a la mayor densidad e-, y dos polos positivos, sobre los H debido a una menor densidad e-.
Se dice que la molécula de agua es dipolar.
Características molécula de agua
Puentes de hidrógeno
Esta estructura reticular, le confiere al agua sus propiedades de fluido, y sus características físico-químicas.
Estos pequeñas agrupaciones de agua coexisten con moléculas aisladas que rellenan los huecos.
Estos puentes de hidrógeno son, aproximadamente, 1/20 más débiles que los enlaces covalentes.
Agua El agua se presenta en la Naturaleza en estado sólido, líquido y
gaseoso.
Igual que cualquier sustancia el agua aumenta su entropía a medida que lo hace su temperatura.
PROPIEDADES DEL AGUA
Elevada fuerza de cohesión
Debido a los puentes de hidrógeno. Responsable de que el agua sea un líquido prácticamente
incompresible capaz de dar volumen a las células y turgencia a muchos seres vivos (p. ej.: esqueleto hidrostático de las plantas o anelidos y celenterados).
Lubricante y protección (articulaciones)
Elevada fuerza de adhesión
Depende tanto de la adhesión de las moléculas de agua a las paredes del tubo como de la elevada cohesión de las moléculas de agua. Las fuerzas de adhesión entre las moléculas del agua y el vidrio, son mayores que las de las moléculas de agua entre si. Por esto el líquido asciende por las paredes del capilar hasta compensar las fuerzas mediante el peso del líquido.
Gracias al carácter dipolar del agua se puede adherir fácilmente a grupos cargados en la superficie de un tubo.
Elevada tensión superficial
Debido a la elevada cohesión molecular la superficie del agua opone una gran resistencia a romperse (a que sus moléculas se separen).
Esto lo aprovechan muchos organismos para desplazarse sobre ella.
Permite las deformaciones citoplasmáticas.
Es la energía necesaria para aumentar la temperatura de una sustancia.
A medida que se le aplica calor al agua se van rompiendo los puentes de hidrógeno y, debido a la gran cantidad de enlaces que posee, ha de absorber mucho calor para que todos se rompan.
El agua absorbe o libera gran cantidad de calor al calentarse o enfriarse por lo que es un gran amortiguador térmico frente a cambios
bruscos de temperatura.
Elevado calor específico
Elevado calor de vaporización
Es la energía necesaria para pasar una sustancia de estado líquido a gaseoso.
Debido al alto calor específico del agua, hay que aplicar mucha energía para cambiarla de estado.
Esta propiedad hace que el agua sea un buen refrigerante ya que hay que aplicar mucho calor para cambiarla de estado.
Densidad anómala en estado sólido
Su mayor densidad corresponde al estado líquido a 4 ºC. Por ello el hielo flota en mares, ríos y lagos posibilitando la vida acuática en aguas con bajas temperaturas.
Densidad anómala en estado sólido
Cuando se eleva la temperatura de cualquier sustancia aumenta su volumen y por tanto disminuye su densidad.
El agua es la única sustancia que cuando solidifica tiene más volumen y menos densidad (coeficiente de dilatación negativo).
Gran capacidad disolvente
El agua tiene una constante dieléctrica elevada, por tanto, es uno de los solventes más polares que existen.
El agua es el líquido que más sustancias disuelve, debido a que forma ptes de H con otras sustancias.
La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones importantes para los seres vivos: es el medio en que transcurren la mayoría de las reacciones del metabolismo, y el aporte de nutrientes y la eliminación de desechos se realizan a través de sistemas de transporte acuosos.
Gran capacidad disolvente Tipo de sustancias según su solubilidad
en agua: Hidrófilas: moléculas polares y sustancias
iónicas.
Hidrófobas: moléculas no polares. El agua se reorganiza a su alrededor. Las moléculas apolares incrementan su cohesión → interacción hidrofóbica.
Anfipáticas: moléculas que tiene zonas polares, que se disuelven, y zonas apolares, que no se disuelven.
Gran capacidad disolvente Sustancias solubles:
Sustancias no solubles: moléculas apolares (moléculas con muchos C y H)
Gran capacidad disolvente
Solvatación iónica Disolución compuestos polares
Una baja proporción de moléculas de agua se encuentran ionizadas según la reacción:
Por convenio se usa el símbolo H+ en lugar de H3O+ aunque en el agua no hay iones de este tipo, están todos hidratados.
En el agua pura, a 25ºC, sólo una molécula de cada 107 está disociada, esto supone una [H+]= [OH-]= 10-7.
El producto iónico del agua, y constituye la base para establecer la escala de pH.
Bajo grado de ionización
Concepto de pH Una sustancia que libera protones (H+) cuando se disuelve en agua es un
ácido, mientras que si libera hidrogeniones (OH-) es una base. Ácido: ClH H+ + Cl- Si [H+] > [OH-] el medio es ácido Base: NaOH Na+ + OH- Si [H+] < [OH-] el medio es básico
La escala de pH es una forma cómoda de expresar la abundancia relativa de los dos tipos de iones.
Su fórmula es
Concepto de pH
Si el pH de una disolución es 7 como ocurre en el agua pura, dicha disolución es neutra: [H+] = [OH-]
Si añadimos un ácido, aumentará la [H+]
y el pH será inferior a 7 y si introducimos una base disminuirá la [H+] y tendremos valores superiores. Si el pH es < 7 ,la disolución es ácida: [H+] > [OH-] Si el pH es > 7, la disolución es básica: [H+] < [OH-]
La escala de pH es logarítmica, es decir que si aumenta o disminuye en una unidad significa que la [H+] se hará 10 veces menor o mayor.
Propiedades y funciones del agua
Aporta H+ y OH- en reacciones bioquímicas,
El agua pura es capaz de disociarse en iones Capacidad de disociación iónica
Mares y ríos se hielan sólo en su superficie
Los puentes de hidrógeno “congelados” mantienen las moléculas más separadas
Más densa líquida que sólida
Mantiene forma y volumen de las células; permite cambios y deformaciones del citoplasma y el ascenso de la savia bruta
Los puentes de hidrógeno mantienen juntas las moléculas de agua
Alta cohesión y adhesión
Transporte de sustancias y de que en su seno se den todas las reacciones metabólicas
La mayoría de las sustancias polares se disuelven en ella al formar puentes de hidrógeno.
Es un excelente disolvente
Causa de deformaciones celulares y de los movimientos citoplasmáticos
Las moléculas superficiales están fuertemente unidas a las del interior, pero no a las externas de aire.
Elevada tensión superficial
Para elevar su Tª ha de absorber mucho calor, para romper los puentes de H.
Alto calor específico
Función termorreguladora: ayuda a mantener constante la temperatura corporal de los animales homeotermos.
La energía calorífica absorbida se emplea en romper los puentes de hidrógeno.
Alto calor de vaporización
Medio de transporte en el organismo y medio lubricante
Los puentes de hidrógeno mantienen a las moléculas unidas
Líquida a Tª ambiente
FUNCIÓN BIOLÓGICA DEBIDA A PROPIEDAD
Funciones biológicas del agua Disolvente universal: Por su elevada constante dieléctrica es el mejor
disolvente para moléculas cargadas y polares, y también dispersa moléculas anfipáticas.
Química: Lugar donde se producen las reacciones químicas por ser tan buen disolvente y tener bajo grado de ionización.
Transporte: Es el sistema de transporte en las plantas por la capilaridad; al ser un buen disolvente, los seres vivos la utilizan como medio de transporte.
Estructural: Funciona como esqueleto hidrostático dando estructura, resistencia y volumen a las células por su alta cohesión molecular.
Lubricante: Evita el rozamiento por su elevada cohesión. Termorreguladora: Por su alto calor específico y de vaporización mantendrá
constante la temperatura absorbiendo o cediendo calor. Permite la vida en el agua a temperaturas de congelación por su coeficiente
de dilatación negativo.
Funciones biológicas del agua 1. Disolvente de sustancias:
El agua es básica para la vida, ya que prácticamente todas las reacciones biológicas tienen lugar en el medio acuoso.
Funciones biológicas del agua
2. Función química: El agua interviene en muchas reacciones químicas
En la fotosíntesis se utiliza el agua como fuente de átomos de hidrógeno.
En las reacciones de hidrólisis, que degradan los compuestos orgánicos en otros más simples, por ejemplo durante los procesos digestivos.
Funciones biológicas del agua
3. Transporte:
El agua es el medio de transporte de las sustancias desde el exterior al interior de los organismos y en el propio organismo, a veces con un gran trabajo como en la ascensión de la savia bruta en los árboles.
Funciones biológicas del agua
4. Función estructural:
El volumen y forma de las células que carecen de membrana rígida se mantienen gracias a la presión que ejerce el agua interna. Al perder agua, las células pierden su turgencia natural, se arrugan y hasta pueden llegar a romperse (lisis).
Funciones biológicas del agua
5. Función mecánica amortiguadora:
Por ejemplo, los vertebrados poseen en sus articulaciones bolsas de líquido sinovial que evita el roce entre los huesos.
Funciones biológicas del agua
6. Permite la vida a bajas temperaturas:
El hielo flota en mares, ríos y lagos posibilitando la vida acuática en aguas con bajas temperaturas.
Funciones biológicas del agua
7. Función termorreguladora:
Debido a su elevado calor específico y de vaporización es un material idóneo para mantener constante la Tª, absorbiendo el exceso de calor o cediendo energía si es necesario.
Por ejemplo, los animales, al sudar, expulsan agua, la cual, para evaporarse, toma calor del cuerpo y, como consecuencia, éste se enfría.
SALES MINERALES
Sales minerales precipitadas Función de tipo plástico, formando
estructuras de protección y sostén
Caparazones de crustáceos y moluscos (CaCO3) y caparazones silíceos de radiolarios y diatomeas.
Huesos y dientes (fosfato, cloruro, fluoruro y CaCO3 ).
Determinadas células incorporan sales minerales, como las que se pueden encontrar en la pared de celulosa de los vegetales, o como forma de producto residual del metabolismo (cristales de oxalato cálcico, que puede contribuir al desarrollo de cálculos renales o biliares).
El CaCO3 forma los otolitos (oido interno) que intervienen en el mantenimiento del equilibrio interno.
SALES MINERALES
REGULACIÓN pH
En el metabolismo celular se generan ácidos y bases (H+/OH-) que alteran el pH y, como consecuencia, la actividad y estructura celular.
Las variaciones de pH, afectan a la estabilidad de las proteínas y, actividad catalítica de los enzimas, pues en función del pH, pueden generar cargas eléctricas que modifiquen su actividad biológica.
REGULACIÓN pH
• La célula cuenta con los llamados sistemas tampón, buffer o amortiguadores, compuestos por un ácido débil y su base conjugada.
Funcionamiento de los tampones La adición de pequeñas cantidades de H+ o de OH- a estos
sistemas no produce cambios de pH en un cierto intervalo.
Variación del pH en un tampón de ácido acético/ acetato.
CH3COOH CH3COO- + H+
Un ácido es una sustancia que cede H+ en disolución. Una base es una sustancia que capta H+ en disolución.
Funcionamiento de los tampones La forma ácida neutraliza los iones OH- y la básica los iones H+.
Tipos de tampones Tampones intracelulares:
Tampón fosfato (H2PO4- / HPO4
2-), tampona en torno a pH = 6,86
Tampones extracelulares (sangre y fluidos intersticiales):
Tampón bicarbonato (tampona en torno a pH = 7,4)
Actúa en el medio intracelular en torno a pH = 6,86
Tampón fosfato
Tampón bicarbonato
Es el principal tampón en la sangre y los líquidos extracelulares. Mantiene el pH en valores próximos a 7’4 gracias al equilibrio entre
el ión bicarbonato y el ácido carbónico que a su vez se disocia en CO2 y H2O.
Si en el medio aumenta la [H+] (sube la acidez = baja el pH), el equilibrio se desplaza a la derecha, y se elimina el exceso de CO2 producido.
Si disminuye la [H+] del medio, el equilibrio se desplaza a la izquierda, para lo cual se toma CO2 del medio.
HCO3- + H+ H2CO3 CO2 + H2O
SALES MINERALES
Dispersiones Mezcla homogénea de moléculas donde hay un disolvente y un
soluto. Todos los procesos metabólicos ocurren en dispersiones:
o disoluciones verdaderas
Dispersiones coloidales
En el estado de sol predomina la fase dispersante.
En el estado de gel predomina la fase dispersa.
Dispersiones coloidales
Según el comportamiento del soluto frente al disolvente: Dispersión coloidal hidrófila: Los solutos presentan afinidad
por el agua, por lo que son estables. Dispersión coloidal hidrófoba: Los solutos repelen el agua y
forman una fase separada.
Según la naturaleza del soluto: Suspensión: Cuando el soluto es sólido. Emulsión: Cuando el soluto es líquido y actúan sustancias que
impiden la unión entre las partículas dispersas.
Propiedades de las disoluciones verdaderas
Se producen tres fenómenos en relación al movimiento de las partículas: Difusión: Las moléculas de sustancias disueltas se mueven en
todas las direcciones tendiendo a distribuirse uniformemente en el seno del agua hasta ocupar todo el espacio disponible.
Díálisis: Al separar una disolución mediante una membrana que deja pasar las moléculas del disolvente y las moléculas de bajo PM, las moléculas que pueden atravesar la membrana lo harán de la parte más concentrada a la más diluida.
Osmosis: Si separamos dos disoluciones con distinta concentración de soluto por una membrana semipermeable el agua difunde del lado más diluido al más concentrado.
Difusión
Diálisis
La hemodialisis sustituye a la filtración renal en las personas en las que ésta no funciona correctamente.
Se eliminan así de la sangre UREA y OTROS METABOLITOS y se mantienen las moléculas más grandes y útiles como las PROTEÍNAS PLASMÁTICAS.
Ósmosis
Ósmosis El disolvente atraviesa la membrana hasta igualar las
concentraciones en ambas disoluciones (isotónicas).
Medio hipertónico: mayor concentración de soluto.
Medio hipotónico: menor concentración de soluto.
Medios isotónicos
Presión osmótica
La presión osmótica es la fuerza que hay que aplicar a una disolución para detener el flujo de disolvente a través de una membrana semipermeable.
Fenómenos osmóticos
Plasmólisis a) célula normal b) célula plasmolizada.
Comportamiento de las células frente a la presión osmótica a) célula vegetal b) glóbulos rojos
b
a
a b
Fenómenos osmóticos La ósmosis es también la causa de otros fenómenos:
La regulación del contenido hídrico de los protozoos de agua dulce mediante vacuolas contráctiles.
El cierre de la trampa de algunas plantas carnívoras. La absorción de agua por las raíces de las plantas.
SALES MINERALES
Acción específica de los cationes
Funciones catalíticas. Algunos iones como Mn2+, Cu2+ , Mg2+ o Zn2+, son cofactores necesarios para la actividad de ciertos enzimas.
El ion Fe2+ forma parte del grupo hemo de la hemoglobina y mioglobina, proteínas encargadas del transporte de oxígeno.
El ion Mg2+ forma parte de las clorofilas y participa en la fotosíntesis. El Ca2+ , interviene en la contracción muscular y en los procesos
relacionados con la coagulación de la sangre. Los iones Na+, K+, Cl-, Ca2+ , generan gradientes electroquímicos,
imprescindibles en el potencial de membrana y del potencial de acción en los procesos de la sinapsis neuronal, transmisión del impulso nervioso y contracción muscular.
